本篇说清楚原子操作
读本篇之前建议先读鸿蒙内核源码分析(总目录)系列篇.
基本概念
在支持多任务的操作系统中，修改一块内存区域的数据需要“读取-修改-写入”三个步骤。然而同一内存区域的数据可能同时被多个任务访问，如果在修改数据的过程中被其他任务打断，就会造成该操作的执行结果无法预知。
使用开关中断的方法固然可以保证多任务执行结果符合预期，但这种方法显然会影响系统性能。
ARMv6架构引入了LDREX和STREX指令，以支持对共享存储器更缜密的非阻塞同步。由此实现的原子操作能确保对同一数据的“读取-修改-写入”操作在它的执行期间不会被打断，即操作的原子性。
有多个任务对同一个内存数据进行加减或交换操作时，使用原子操作保证结果的可预知性。
看过鸿蒙内核源码分析(总目录)自旋锁篇的应该对LDREX和STREX指令不陌生的,自旋锁的本质就是对某个变量的原子操作,而且一定要通过汇编代码实现,也就是说LDREX和STREX指令保证了原子操作的底层实现. 回顾下自旋锁申请和释放锁的汇编代码.
ArchSpinLock 申请锁代码
- FUNCTION(ArchSpinLock) @死守,非要拿到锁
- mov r1, #1 @r1=1
- 1: @循环的作用,因SEV是广播事件.不一定lock->rawLock的值已经改变了
- ldrex r2, [r0] @r0 = &lock->rawLock, 即 r2 = lock->rawLock
- cmp r2, #0 @r2和0比较
- wfene @不相等时,说明资源被占用,CPU核进入睡眠状态
- strexeq r2, r1, [r0]@此时CPU被重新唤醒,尝试令lock->rawLock=1,成功写入则r2=0
- cmpeq r2, #0 @再来比较r2是否等于0,如果相等则获取到了锁
- bne 1b @如果不相等,继续进入循环
- dmb @用DMB指令来隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
- bx lr @此时是一定拿到锁了,跳回调用ArchSpinLock函数
ArchSpinUnlock 释放锁代码
- FUNCTION(ArchSpinUnlock) @释放锁
- mov r1, #0 @r1=0
- dmb @数据存储隔离，以保证缓冲中的数据已经落实到RAM中
- str r1, [r0] @令lock->rawLock = 0
- dsb @数据同步隔离
- sev @给各CPU广播事件,唤醒沉睡的CPU们
- bx lr @跳回调用ArchSpinLock函数
运作机制
鸿蒙通过对ARMv6架构中的LDREX和STREX进行封装，向用户提供了一套原子操作接口。
● LDREX Rx, [Ry] 读取内存中的值，并标记对该段内存为独占访问：
◊ 读取寄存器Ry指向的4字节内存数据，保存到Rx寄存器中。
◊ 对Ry指向的内存区域添加独占访问标记。
● STREX Rf, Rx, [Ry] 检查内存是否有独占访问标记，如果有则更新内存值并清空标记，否则不更新内存：
◊ 有独占访问标记
◊ 将寄存器Rx中的值更新到寄存器Ry指向的内存。
◊ 标志寄存器Rf置为0。
◊ 没有独占访问标记
◊ 不更新内存。
◊ 标志寄存器Rf置为1。
● 判断标志寄存器 标志寄存器为0时，退出循环，原子操作结束。 标志寄存器为1时，继续循环，重新进行原子操作。
功能列表
原子数据包含两种类型Atomic(有符号32位数)与 Atomic64(有符号64位数)。原子操作模块为用户提供下面几种功能，接口详细信息可以查看源码。
此处讲述 LOS_AtomicAdd , LOS_AtomicSub,LOS_AtomicRead,LOS_AtomicSet 理解了函数的汇编代码是理解的原子操作的关键.
LOS_AtomicAdd
- //对内存数据做加法
- STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicAdd(Atomic *v, INT32 addVal)
- {
- INT32 val;
- UINT32 status;
- do {
- __asm__ __volatile__("ldrex %1, [%2]\n"
- "add %1, %1, %3\n"
- "strex %0, %1, [%2]"
- : "=&r"(status), "=&r"(val)
- : "r"(v), "r"(addVal)
- : "cc");
- } while (__builtin_expect(status != 0, 0));
- return val;
- }
这是一段C语言内嵌汇编,逐一解读
● 1.先将 val status v addVal的值交由通用寄存器(R0~R3)接管.
● 2.%2代表了入参v,[%2]代表的是参数v指向地址的值,也就是 *v ,函数要独占的就是它
● 3.%0 ~ %3 对应 val status v addVal
● 4.ldrex %1, [%2] 表示 val = *v ;
● 5.add %1, %1, %3 表示 val = val + addVal;
● 6.strex %0, %1, [%2] 表示 *v = val;
● 7.status 表示是否更新成功,成功了置0,不成功则为 1
● 8.__builtin_expect是结束循环的判断语句,将最有可能执行的分支告诉编译器。 这个指令的写法为：
__builtin_expect(EXP, N)。
意思是：EXP==N 的概率很大。
综合理解__builtin_expect(status != 0, 0)
说的是status = 1失败的可能性很大,不成功就重新来一遍,直到strex更新成(status == 0)为止.
● 9."=&r"(val) 被修饰的操作符作为输出,即将寄存器的值回给val,val为函数的返回值
● 10."cc"向GCC编译器声明以上信息.
LOS_AtomicSub
- //对内存数据做减法
- STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicSub(Atomic *v, INT32 subVal)
- {
- INT32 val;
- UINT32 status;
- do {
- __asm__ __volatile__("ldrex %1, [%2]\n"
- "sub %1, %1, %3\n"
- "strex %0, %1, [%2]"
- : "=&r"(status), "=&r"(val)
- : "r"(v), "r"(subVal)
- : "cc");
- } while (__builtin_expect(status != 0, 0));
- return val;
- }
解读
● 同 LOS_AtomicAdd解读
volatile
这里要重点说下volatile,volatile 提醒编译器它后面所定义的变量随时都有可能改变，因此编译后的程序每次需要存储或读取这个变量的时候，都要直接从变量地址中读取数据。如果没有volatile关键字，则编译器可能优化读取和存储，可能暂时使用寄存器中的值，如果这个变量由别的程序更新了的话，将出现不一致的现象。
- //读取内存数据
- STATIC INLINE INT32 LOS_AtomicRead(const Atomic *v)
- {
- return *(volatile INT32 *)v;
- }
- //写入内存数据
- STATIC INLINE VOID LOS_AtomicSet(Atomic *v, INT32 setVal)
- {
- *(volatile INT32 *)v = setVal;
- }
编程实例
调用原子操作相关接口，观察结果：
1.创建两个任务
● 任务一用LOS_AtomicAdd对全局变量加100次。
● 任务二用LOS_AtomicSub对全局变量减100次。
2.子任务结束后在主任务中打印全局变量的值。
- #include "los_hwi.h"
- #include "los_atomic.h"
- #include "los_task.h"
- UINT32 g_testTaskId01;
- UINT32 g_testTaskId02;
- Atomic g_sum;
- Atomic g_count;
- UINT32 Example_Atomic01(VOID)
- {
- int i = 0;
- for(i = 0; i < 100; ++i) {
- LOS_AtomicAdd(&g_sum,1);
- }
- LOS_AtomicAdd(&g_count,1);
- return LOS_OK;
- }
- UINT32 Example_Atomic02(VOID)
- {
- int i = 0;
- for(i = 0; i < 100; ++i) {
- LOS_AtomicSub(&g_sum,1);
- }
- LOS_AtomicAdd(&g_count,1);
- return LOS_OK;
- }
- UINT32 Example_TaskEntry(VOID)
- {
- TSK_INIT_PARAM_S stTask1={0};
- stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic01;
- stTask1.pcName = "TestAtomicTsk1";
- stTask1.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
- stTask1.usTaskPrio = 4;
- stTask1.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;
- TSK_INIT_PARAM_S stTask2={0};
- stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic02;
- stTask2.pcName = "TestAtomicTsk2";
- stTask2.uwStackSize = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
- stTask2.usTaskPrio = 4;
- stTask2.uwResved = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;
- LOS_TaskLock();
- LOS_TaskCreate(&g_testTaskId01, &stTask1);
- LOS_TaskCreate(&g_testTaskId02, &stTask2);
- LOS_TaskUnlock();
- while(LOS_AtomicRead(&g_count) != 2);
- dprintf("g_sum = %d\n", g_sum);
- return LOS_OK;
- }
结果验证
- g_sum = 0
