ARM体系架构下的同步操作
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当共享资源为一内存地址时，原子操作是对该类型共享资源同步访问的最佳方式。
本文引用地址：https://www.eepw.com.cn/article/201611/317839.htm随着应用的日益复杂和SMP的广泛使用，处理器都开始提供硬件同步原语以支持原子地更新内存地址。
CISC处理器比如IA32，可以提供单独的多种原子指令完成复杂的原子操作，由处理器保证读-修改-写回过程的原子性。
而RISC则不同，由于除Load和Store的所有操作都必须在寄存器中完成，
如何保证从装载内存地址到寄存器，到修改寄存器中的值，再到将寄存器中的值写回内存中可以原子性的完成，便成为了处理器设计的关键。
从ARMv6架构开始，ARM处理器提供了Exclusive accesses同步原语，包含两条指令：
LDREXSTREX
LDREX和STREX指令，将对一个内存地址的原子操作拆分成两个步骤，
同处理器内置的记录exclusive accesses的exclusive monitors一起，完成对内存的原子操作。
LDREX
LDREX与LDR指令类似，完成将内存中的数据加载进寄存器的操作。
与LDR指令不同的是，该指令也会同时初始化exclusive monitor来记录对该地址的同步访问。例如
LDREX R1, [R0]
会将R0寄存器中内存地址的数据，加载进R1中并更新exclusive monitor。
STREX
该指令的格式为：
STREX Rd, Rm, [Rn]
STREX会根据exclusive monitor的指示决定是否将寄存器中的值写回内存中。
如果exclusive monitor许可这次写入，则STREX会将寄存器Rm的值写回Rn所存储的内存地址中，并将Rd寄存器设置为0表示操作成功。
如果exclusive monitor禁止这次写入，则STREX指令会将Rd寄存器的值设置为1表示操作失败并放弃这次写入。
应用程序可以根据Rd中的值来判断写回是否成功。
在这篇文章里，首先会以Linux Kernel中ARM架构的原子相加操作为例，介绍这两条指令的使用方法；
之后，会介绍GCC提供的一些内置函数，这些同步函数使用这两条指令完成同步操作。
Linux Kernel中的atomic_add函数
如下是Linux Kernel中使用的atomic_add函数的定义，它实现原子的给 v 指向的atomic_t增加 i 的功能。
1 static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)2 {3 unsigned long tmp;4 int result;5 6 __asm__ __volatile__("@ atomic_addn"7 "1: ldrex %0, [%3]n"8 " add %0, %0, %4n"9 " strex %1, %0, [%3]n"10 " teq %1, #0n"11 " bne 1b"12 : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)13 : "r" (&v->counter), "Ir" (i)14 : "cc");15 }在第7行，使用LDREX指令将v->counter所指向的内存地址的值装入寄存器中，并初始化exclusive monitor。
在第8行，将该寄存器中的值与i相加。
在第9，10，11行，使用STREX指令尝试将修改后的值存入原来的地址，
如果STREX写入%1寄存器的值为0，则认为原子更新成功，函数返回；
如果%1寄存器的值不为0，则认为exclusive monitor拒绝了本次对内存地址的访问，
则跳转回第7行重新进行以上所述的过程，直到成功将修改后的值写入内存为止。
该过程可能多次反复进行，但可以保证，在最后一次的读-修改-写回的过程中，没有其他代码访问该内存地址。
static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i){unsigned long tmp;__asm__ __volatile__("@ atomic_set/n""1: ldrex %0, [%1]/n"" strex %0, %2, [%1]/n"" teq %0, #0/n"" bne 1b": "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "r" (i): "cc");}输入为v(原子变量)，i(要设置的值)，均存放在动态分配的寄存器中。tmp用来指示操作是否成功。
GCC内置的原子操作函数
看了上面的GCC内联汇编，是不是有点晕？
在用户态下，GCC为我们提供了一系列内置函数，这些函数可以让我们既享受原子操作的好处，
又免于编写复杂的内联汇编指令。这一系列的函数均以__sync开头，分为如下几类：
type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)
这一系列函数完成对ptr所指向的内存地址的对应操作，并返回操作之前的值。
type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
这一系列函数完成对ptr所指向的内存地址的对应操作，并返回操作之后的值。
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
这两个函数完成对变量的原子比较和交换。
即如果ptr所指向的内存地址存放的值与oldval相同的话，则将其用newval的值替换。
返回bool类型的函数返回比较的结果，相同为true，不同为false；
返回type的函数返回的是ptr指向地址交换前存放的值。
LDREX 和 STREX
独占加载和存储寄存器。
语法
LDREX{cond} Rt, [Rn {, #offset}]STREX{cond} Rd, Rt, [Rn {, #offset}]LDREXB{cond} Rt, [Rn]STREXB{cond} Rd, Rt, [Rn]LDREXH{cond} Rt, [Rn]STREXH{cond} Rd, Rt, [Rn]LDREXD{cond} Rt, Rt2, [Rn]STREXD{cond} Rd, Rt, Rt2, [Rn]其中：
- cond
是一个可选的条件代码（请参阅条件执行）。
- Rd
是存放返回状态的目标寄存器。
- Rt
是要加载或存储的寄存器。
- Rt2
为进行双字加载或存储时要用到的第二个寄存器。
- Rn
是内存地址所基于的寄存器。
- offset
为应用于Rn中的值的可选偏移量。offset只可用于 Thumb-2 指令中。 如果省略offset，则认为偏移量为 0。
LDREX
LDREX可从内存加载数据。
如果物理地址有共享 TLB 属性，则LDREX会将该物理地址标记为由当前处理器独占访问，并且会清除该处理器对其他任何物理地址的任何独占访问标记。
否则，会标记：执行处理器已经标记了一个物理地址，但访问尚未完毕。
STREX
STREX可在一定条件下向内存存储数据。 条件具体如下：
如果物理地址没有共享 TLB 属性，且执行处理器有一个已标记但尚未访问完毕的物理地址，那么将会进行存储，清除该标记，并在Rd中返回值 0。
如果物理地址没有共享 TLB 属性，且执行处理器也没有已标记但尚未访问完毕的物理地址，那么将不会进行存储，而会在Rd中返回值 1。
如果物理地址有共享 TLB 属性，且已被标记为由执行处理器独占访问，那么将进行存储，清除该标记，并在Rd中返回值 0。
如果物理地址有共享 TLB 属性，但没有标记为由执行处理器独占访问，那么不会进行存储，且会在Rd中返回值 1。
限制
r15 不可用于Rd、Rt、Rt2或Rn中的任何一个。
对于STREX，Rd一定不能与Rt、Rt2或Rn为同一寄存器。
对于 ARM 指令：
Rt必须是一个编号为偶数的寄存器，且不能为 r14
Rt2必须为R(t+1)
不允许使用offset。
对于 Thumb 指令：
r13 不可用于Rd、Rt或Rt2中的任何一个
对于LDREXD，Rt和Rt2不可为同一个寄存器
offset的值可为 0-1020 范围内 4 的任何倍数。
用法
利用LDREX和STREX可在多个处理器和共享内存系统之前实现进程间通信。
出于性能方面的考虑，请将相应LDREX指令和STREX指令间的指令数控制到最少。
Note
STREX指令中所用的地址必须要与近期执行次数最多的LDREX指令所用的地址相同。
如果使用不同的地址，则STREX指令的执行结果将不可预知。
体系结构
ARMLDREX和STREX可用于 ARMv6 及更高版本中。
ARMLDREXB、LDREXH、LDREXD、STREXB、STREXD和STREXH可用于 ARMv6K 及更高版本中。
所有这些 32 位 Thumb 指令均可用于 ARMv6T2 及更高版本，但LDREXD和STREXD在 ARMv7-M 架构中不可用。
这些指令均无 16 位版本。
示例
MOV r1, #0x1 ; load the ‘lock taken’ valuetryLDREX r0, [LockAddr] ; load the lock valueCMP r0, #0 ; is the lock free?STREXEQ r0, r1, [LockAddr] ; try and claim the lockCMPEQ r0, #0 ; did this succeed?BNE try ; no – try again.... ; yes – we have the lock
arm/include/asm/atomic.h?v=2.6.33" rel="external nofollow noreferrer" target="_blank">http://lxr.free-electrons.com/source/arch/arm/include/asm/atomic.h?v=2.6.33
/** arch/arm/include/asm/atomic.h** Copyright (C) 1996 Russell King.* Copyright (C) 2002 Deep Blue Solutions Ltd.** This program is free software; you can redistribute it and/or modify* it under the terms of the GNU General Public License version 2 as* published by the Free Software Foundation.*/#ifndef __ASM_ARM_ATOMIC_H#define __ASM_ARM_ATOMIC_H#include#include #include #define ATOMIC_INIT(i) { (i) }#ifdef __KERNEL__/** On ARM, ordinary assignment (str instruction) doesnt clear the local* strex/ldrex monitor on some implementations. The reason we can use it for* atomic_set() is the clrex or dummy strex done on every exception return.*/#define atomic_read(v) ((v)->counter)#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))#if __LINUX_ARM_ARCH__ >= 6/** ARMv6 UP and SMP safe atomic ops. We use load exclusive and store exclusive to ensure that these are atomic. * We may loop to ensure that the update happens.*/static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;__asm__ __volatile__("@ atomic_addn""1: ldrex %0, [%2]n"" add %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");}static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;smp_mb();__asm__ __volatile__("@ atomic_add_returnn""1: ldrex %0, [%2]n"" add %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");smp_mb();return result;}static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;__asm__ __volatile__("@ atomic_subn""1: ldrex %0, [%2]n"" sub %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");}static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v){unsigned long tmp;int result;smp_mb();__asm__ __volatile__("@ atomic_sub_returnn""1: ldrex %0, [%2]n"" sub %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (result), "=&r" (tmp): "r" (&v->counter), "Ir" (i): "cc");smp_mb();return result;}static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *ptr, int old, int new){unsigned long oldval, res;smp_mb();do {__asm__ __volatile__("@ atomic_cmpxchgn""ldrex %1, [%2]n""mov %0, #0n""teq %1, %3n""strexeq %0, %4, [%2]n": "=&r" (res), "=&r" (oldval): "r" (&ptr->counter), "Ir" (old), "r" (new): "cc");} while (res);smp_mb();return oldval;}static inline void atomic_clear_mask(unsigned long mask, unsigned long *addr){unsigned long tmp, tmp2;__asm__ __volatile__("@ atomic_clear_maskn""1: ldrex %0, [%2]n"" bic %0, %0, %3n"" strex %1, %0, [%2]n"" teq %1, #0n"" bne 1b": "=&r" (tmp), "=&r" (tmp2): "r" (addr), "Ir" (mask): "cc");}#else /* ARM_ARCH_6 */#ifdef CONFIG_SMP#error SMP not supported on pre-ARMv6 CPUs#endifstatic inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v){unsigned long flags;int val;raw_local_irq_save(flags);val = v->counter;v->counter = val += i;raw_local_irq_restore(flags);return val;}#define atomic_add(i, v) (void) atomic_add_return(i, v)static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v){unsigned long flags;int val;raw_local_irq_save(flags);val = v->counter;v->counter = val -= i;raw_local_irq_restore(flags);return val;}#define atomic_sub(i, v) (void) atomic_sub_return(i, v)static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new){int ret;unsigned long flags;raw_local_irq_save(flags);ret = v->counter;if (likely(ret == old))v->counter = new;raw_local_irq_restore(flags);return ret;}static inline void atomic_clear_mask(unsigned long mask, unsigned long *addr){unsigned long flags;raw_local_irq_save(flags);*addr &= ~mask;raw_local_irq_restore(flags);}#endif /* __LINUX_ARM_ARCH__ */#define atomic_xchg(v, new) (xchg(&((v)->counter), new))static inline int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u){int c, old;c = atomic_read(v);while (c != u && (old = atomic_cmpxchg((v), c, c + a)) != c)c = old;return c != u;}#define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0)#define atomic_inc(v) atomic_add(1, v)#define atomic_dec(v) atomic_sub(1, v)#define atomic_inc_and_test(v) (atomic_add_return(1, v) == 0)#define atomic_dec_and_test(v) (atomic_sub_return(1, v) == 0)#define atomic_inc_return(v) (atomic_add_return(1, v))#define atomic_dec_return(v) (atomic_sub_return(1, v))#define atomic_sub_and_test(i, v) (atomic_sub_return(i, v) == 0)#define atomic_add_negative(i,v) (atomic_add_return(i, v) < 0)#define smp_mb__before_atomic_dec() smp_mb()#define smp_mb__after_atomic_dec() smp_mb()#define smp_mb__before_atomic_inc() smp_mb()#define smp_mb__after_atomic_inc() smp_mb()#include #endif#endif
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