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Linux内核同步机制之(一):原子操作

2018-12-12
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作者: 郭健

来源: wowotech


一、源由

    我们的程序逻辑经常遇到这样的操作序列:

        1、读一个位于memory中的变量的值到寄存器中

        2、修改该变量的值(也就是修改寄存器中的值)

        3、将寄存器中的数值写回memory中的变量值

    如果这个操作序列是串行化的操作(在一个thread中串行执行),那么一切OK,然而,世界总是不能如你所愿。在多CPU体系结构中,运行在两个CPU上的两个内核控制路径同时并行执行上面操作序列,有可能发生下面的场景:

多个CPUs和memory chip是通过总线互联的,在任意时刻,只能有一个总线master设备(例如CPU、DMA controller)访问该Slave设备(在这个场景中,slave设备是RAM chip)。因此,来自两个CPU上的读memory操作被串行化执行,分别获得了同样的旧值。完成修改后,两个CPU都想进行写操作,把修改的值写回到memory。但是,硬件arbiter的限制使得CPU的写回必须是串行化的,因此CPU1首先获得了访问权,进行写回动作,随后,CPU2完成写回动作。在这种情况下,CPU1的对memory的修改被CPU2的操作覆盖了,因此执行结果是错误的。

    不仅是多CPU,在单CPU上也会由于有多个内核控制路径的交错而导致上面描述的错误。一个具体的例子如下:

系统调用的控制路径上,完成读操作后,硬件触发中断,开始执行中断handler。这种场景下,中断handler控制路径的写回的操作被系统调用控制路径上的写回覆盖了,结果也是错误的。


二、对策

     对于那些有多个内核控制路径进行read-modify-write的变量,内核提供了一个特殊的类型atomic_t,具体定义如下:

     从上面的定义来看,atomic_t实际上就是一个int类型的counter,不过定义这样特殊的类型atomic_t是有其思考的:内核定义了若干atomic_xxx的接口API函数,这些函数只会接收atomic_t类型的参数。这样可以确保atomic_xxx的接口函数只会操作atomic_t类型的数据。同样的,如果你定义了atomic_t类型的变量(你期望用atomic_xxx的接口API函数操作它),这些变量也不会被那些普通的、非原子变量操作的API函数接受。

     具体的接口API函数整理如下:


三、ARM中的实现

    我们以atomic_add为例,描述linux kernel中原子操作的具体代码实现细节:

(1)ARMv6之前的CPU并不支持SMP,之后的ARM架构都是支持SMP的(例如我们熟悉的ARMv7-A)。因此,对于ARM处理,其原子操作分成了两个阵营,一个是支持SMP的ARMv6之后的CPU,另外一个就是ARMv6之前的,只有单核架构的CPU。对于UP,原子操作就是通过关闭CPU中断来完成的。


(2)这里的代码和preloading cache相关。在strex指令之前将要操作的memory内容加载到cache中可以显著提高性能。


(3)为了完整性,我还是重复一下汇编嵌入c代码的语法:嵌入式汇编的语法格式是:asm(code : output operand list : input operand list : clobber list)。output operand list 和 input operand list是c代码和嵌入式汇编代码的接口,clobber list描述了汇编代码对寄存器的修改情况。为何要有clober list?我们的c代码是gcc来处理的,当遇到嵌入汇编代码的时候,gcc会将这些嵌入式汇编的文本送给gas进行后续处理。这样,gcc需要了解嵌入汇编代码对寄存器的修改情况,否则有可能会造成大麻烦。例如:gcc对c代码进行处理,将某些变量值保存在寄存器中,如果嵌入汇编修改了该寄存器的值,又没有通知gcc的话,那么,gcc会以为寄存器中仍然保存了之前的变量值,因此不会重新加载该变量到寄存器,而是直接使用这个被嵌入式汇编修改的寄存器,这时候,我们唯一能做的就是静静的等待程序的崩溃。还好,在output operand list 和 input operand list中涉及的寄存器都不需要体现在clobber list中(gcc分配了这些寄存器,当然知道嵌入汇编代码会修改其内容),因此,大部分的嵌入式汇编的clobber list都是空的,或者只有一个cc,通知gcc,嵌入式汇编代码更新了condition code register。

     大家对着上面的code就可以分开各段内容了。@符号标识该行是注释。

    这里的__volatile__主要是用来防止编译器优化的。也就是说,在编译该c代码的时候,如果使用优化选项(-O)进行编译,对于那些没有声明__volatile__的嵌入式汇编,编译器有可能会对嵌入c代码的汇编进行优化,编译的结果可能不是原来你撰写的汇编代码,但是如果你的嵌入式汇编使用__asm__ __volatile__(嵌入式汇编)的语法格式,那么也就是告诉编译器,不要随便动我的嵌入汇编代码哦。

4)我们先看ldrex和strex这两条汇编指令的使用方法。ldr和str这两条指令大家都是非常的熟悉了,后缀的ex表示Exclusive,是ARMv7提供的为了实现同步的汇编指令。


LDREX  <Rt>, [<Rn>]

     <Rn>是base register,保存memory的address,LDREX指令从base register中获取memory address,并且将memory的内容加载到<Rt>(destination register)中。这些操作和ldr的操作是一样的,那么如何体现exclusive呢?其实,在执行这条指令的时候,还放出两条“狗”来负责观察特定地址的访问(就是保存在[<Rn>]中的地址了),这两条狗一条叫做local monitor,一条叫做global monitor。


STREX <Rd>, <Rt>, [<Rn>]

    和LDREX指令类似,<Rn>是base register,保存memory的address,STREX指令从base register中获取memory address,并且将<Rt> (source register)中的内容加载到该memory中。这里的<Rd>保存了memeory 更新成功或者失败的结果,0表示memory更新成功,1表示失败。STREX指令是否能成功执行是和local monitor和global monitor的状态相关的。对于Non-shareable memory(该memory不是多个CPU之间共享的,只会被一个CPU访问),只需要放出该CPU的local monitor这条狗就OK了,下面的表格可以描述这种情况

    开始的时候,local monitor处于Open Access state的状态,thread 1执行LDREX 命令后,local monitor的状态迁移到Exclusive Access state(标记本地CPU对xxx地址进行了LDREX的操作),这时候,中断发生了,在中断handler中,又一次执行了LDREX ,这时候,local monitor的状态保持不变,直到STREX指令成功执行,local monitor的状态迁移到Open Access state的状态(清除xxx地址上的LDREX的标记)。返回thread 1的时候,在Open Access state的状态下,执行STREX指令会导致该指令执行失败(没有LDREX的标记,何来STREX),说明有其他的内核控制路径插入了。

     对于shareable memory,需要系统中所有的local monitor和global monitor共同工作,完成exclusive access,概念类似,这里就不再赘述了。

      大概的原理已经描述完毕,下面回到具体实现面。

     其中%3就是input operand list中的"r" (&v->counter),r是限制符(constraint),用来告诉编译器gcc,你看着办吧,你帮我选择一个通用寄存器保存该操作数吧。%0对应output openrand list中的"=&r" (result),=表示该操作数是write only的,&表示该操作数是一个earlyclobber operand,具体是什么意思呢?编译器在处理嵌入式汇编的时候,倾向使用尽可能少的寄存器,如果output operand没有&修饰的话,汇编指令中的input和output操作数会使用同样一个寄存器。因此,&确保了%3和%0使用不同的寄存器。


5)完成步骤(4)后,%0这个output操作数已经被赋值为atomic_t变量的old value,毫无疑问,这里的操作是要给old value加上i。这里%4对应"Ir" (i),这里“I”这个限制符对应ARM平台,表示这是一个有特定限制的立即数,该数必须是0~255之间的一个整数通过rotation的操作得到的一个32bit的立即数。这是和ARM的data-processing instructions如何解析立即数有关的。每个指令32个bit,其中12个bit被用来表示立即数,其中8个bit是真正的数据,4个bit用来表示如何rotation。更详细的内容请参考ARM ARM文档。


(6)这一步将修改后的new value保存在atomic_t变量中。是否能够正确的操作的状态标记保存在%1操作数中,也就是"=&r" (tmp)。

(7)检查memory update的操作是否正确完成,如果OK,皆大欢喜,如果发生了问题(有其他的内核路径插入),那么需要跳转到lable 1那里,从新进行一次read-modify-write的操作。


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