Linux驱动之原子操作

Linux驱动之原子操作学习记录：
概念：

原子操作是指在执行过程中不会被别的代码所中断的操作，即它是最小的执行单位。
最简单的原子操作就是一条条的汇编指令(不包括一些伪指令，伪指令会被汇编器解释成多条汇编指令)。

在linux中原子操作对应的数据结构为atomic t，定义如下:

typedef struct{int counter;
}atomic_t;

之所以定义这么一个数据类型，是为了让原子操作函数只接受 atomic_t 类型的操作数，如果传入的不是 atomic_t 类型数据，在程序编译阶段就不会通过；另一个原因就是确保编译器不会对相应的值进行访问优化，确保对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。
分为位和整型变量两类原子操作。

主要整型原子操作：

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);            //定义原子变量v， 并初始化为0
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0);            //定义原子变量v， 并初始化为0
atomic_set(atomic_t *v, int i);         //赋值操作，设置原子变量v的值为i
atomic_read(atomic_t *v);               //读操作，获得原子变量的值，返回
void atomic_add(int i, atomic_t *v);    //原子变量+i
void atomic_sub(int i, atomic_t *v);    //原子变量-i
void atomic_inc(atomic_t *v);           //原子变量+1
void atomic_dec(atomic_t *v);           //原子变量-1

赋值操作宏：
ARM 处理器有直接对内存地址进行赋值的指令(STR)。

/*** atomic_set - set atomic variable* @v: pointer of type atomic_t* @i: required value* Atomically sets the value of @v to @i.*/
#define atomic_set(v, i) (((v)->counter) = (i))

读操作宏：
用 volatile 来防止编译器对变量访问的优化，确保是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。

/*** atomic_read - read atomic variable* @v: pointer of type atomic_t* Atomically reads the value of @v.*/
#define atomic_read(v)  (*(volatile int *)&(v)->counter)

对原子变量执行自增，自减和减操作后，测试其是否为0，为 0 则返回 true，否则返回 false ：

int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);  //自增
int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);  //自减
int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v); //减i值

对原子变量进行加/减，自增/自减操作，并返回新的值：

int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);
int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);
int atomic_inc_return(atomic_t *v);
int atomic_sub_return(atomic_t *v);

加操作源码实现过程：

/*** atomic_add_return - add integer to atomic variable* @i: integer value to add* @v: pointer of type atomic_t* Atomically adds @i to @v and returns the result*/
static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{unsigned long flags;int temp;// 通过关闭中断防止其他进程打断代码的执行raw_local_irq_save(flags); /* Don't trace it in an irqsoff handler */temp = v->counter;temp += i;v->counter = temp;// 恢复中断原始的状态  raw_local_irq_restore(flags);return temp;
}

位原子操作：

void set_bit(nr, void *addr);    //将addr地址的nr位 置为1
void clear_bit(nr, void *addr);  //将addr地址的nr位 清0
void change_bit(nr, void *addr);  //对addr地址的nr位 反置
int test_bit(nr, void *addr);    //返回addr地址的nr位
//先设值，后返回。
int test_and_set_bit(nr, void *addr); //将addr地址的第nr位设置成1，并返回原来这一位的值
int test_and_clear_bit(nr, void *addr);//将addr地址的第nr位请0，并返回原来这一位的值
int test_and_change_bit(nr, void *addr);//将addr地址的第nr位反置，并返回原来这一位的值

原子变量，实现设备单进程使用

demo.c

原子变量定义：

#include <asm/atomic.h>
static atomic_t v = ATOMIC_INIT(1);     //定义原子变量并初始化为1

打开设备函数，加入原子操作

/** @description        : 打开设备* @param - inode     : 传递给驱动的inode* @param - filp   : 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量*                       一般在open的时候将private_data指向设备结构体。* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int hello_open (struct inode *inode, struct file *filep)
{printk("hello_open()\n");//第一个进程进来，对原子变量v执行自减1-1 = 0，为 0 则返回 true,取反，if 条件不成立，执行后面程序//第二个进程来打开驱动程序，0-1 = 负1，返回 false ,取反,if 条件成立，运行里面的代码，将原子变量加一恢复到 0，程序返回if (!atomic_dec_and_test(&v)){atomic_inc(&v);  //原子变量+1  return -EBUSY;}printk("hello_open() atomic v = %d \n",v);return 0;
}

关闭/释放设备函数，加入原子操作

/** @description        : 关闭/释放设备* @param - filp   : 要关闭的设备文件(文件描述符)* @return             : 0 成功;其他 失败*/
static int hello_release (struct inode *inode, struct file *filep)
{printk("hello_release()\n");//退出时， 自增,恢复原子变量值为 1：atomic_inc(&v);printk("hello_release() atomic v = %d \n",v);return 0;
}

第二个进程就无法使用这个设备驱动了：

./a.out

dmesg:

root@ubuntu16:/home/cxx/driver/8_atomic# dmesg41296.690268] chrdev_hello init!
[41296.690269] hello_init() atomic v = 1  //初始化时原子变量值
[41296.690271] chrdev_hello major=243,minor=0
[41300.945360] hello_open() //应用程序打开设备
[41300.945362] hello_open()atomic v = 0  //值
[41314.207845] hello_open()
[41323.295260] hello_open()
[41431.191540] hello_release()          //应用程序释放该设备
[41431.191542] hello_release() atomic v = 1  //值恢复
root@ubuntu16:/home/cxx/driver/8_atomic#
root@ubuntu16:/home/cxx/driver/8_atomic# rmmod cdev_hello
root@ubuntu16:/home/cxx/driver/8_atomic# dmesg41296.690268] chrdev_hello init!
[41296.690269] hello_init() atomic v = 1
[41296.690271] chrdev_hello major=243,minor=0
[41300.945360] hello_open()
[41300.945362] hello_open()atomic v = 0
[41314.207845] hello_open()
[41323.295260] hello_open()
[41431.191540] hello_release()
[41431.191542] hello_release() atomic v = 1 42017.464401] chrdev_hello exit!
[42017.464402] hello_exit() atomic v = 1
root@ubuntu16:/home/cxx/driver/8_atomic#

在Armv6开始支持多核，通过ldrex与strex指令来保证数据操作的原子性，比如自旋锁的上锁操作、原子变量操作等。在Armv6之前，都是单核，为保证数据的原子性，需要进行关中断操作。对于多核平台，关中断操作只能关闭本核中断，要想对数据进行原子操作，必须借助ldrex指令与strex。
独占加载和存储寄存器：

LDREX{cond} Rt, [Rn {, #offset}]
STREX{cond} Rd, Rt, [Rn {, #offset}]
LDREXB{cond} Rt, [Rn]        字节加载
STREXB{cond} Rd, Rt, [Rn]      字节存储
LDREXH{cond} Rt, [Rn]        半字加载
STREXH{cond} Rd, Rt, [Rn]      半字存储
LDREXD{cond} Rt, Rt2, [Rn]      双字加载
STREXD{cond} Rd, Rt, Rt2, [Rn]    双字存储
/*
* @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。
*/

参考原文链接：https://blog.csdn.net/daocaokafei/article/details/108278107