LV020-原子操作
一、原子操作简介
“原子” 是化学世界中不可再分的最小微粒， 一切物质都由原子组成。 在 Linux 内核中的原子操作可以理解为“不可被拆分的操作” ， 就是不能被更高等级中断抢夺优先的操作。
一般原子操作用于变量或者位操作。假如现在要对无符号整形变量 a 赋值，值为 3，对于 C 语言来讲很简单，直接就是：
a = 3但是 C 语言要先编译为成汇编指令， ARM 架构不支持直接对寄存器进行读写操作，比如要借助寄存器 R0、 R1 等来完成赋值操作。假设变量 a 的地址为 0X3000000，“a = 3”这一行 C 语言可能会被编译为如下所示的汇编代码：
ldr r0, =0X30000000 /* 变量 a 地址 */
ldr r1, = 3 /* 要写入的值 */
str r1, [r0] /* 将 3 写入到 a 变量中 */只是一个简单的举例说明，实际的结果要比示例代码复杂的多。从上述代码可以看出， C 语言里面简简单单的一句“a = 3”，编译成汇编文件以后变成了 3 句，那么程序在执行的时候肯定是按照汇编语句一条一条的执行。假设现在线程 A 要向 a 变量写入 10 这个值，而线程 B 也要向 a 变量写入 20 这个值，我们理想中的执行顺序如图所示：
按照上图所示的流程，确实可以实现线程 A 将 a 变量设置为 10，线程 B 将 a 变量设置为 20。但是实际上的执行流程可能如下所示：
按照图这个图所示的流程，线程 A 最终将变量 a 设置为了 20，而并不是要求的 10！线程 B 没有问题。这就是一个最简单的设置变量值的并发与竞争的例子，要解决这个问题就 要保证那三行汇编指令作为一个整体运行，也就是作为一个原子存在。
二、相关数据结构与 API
Linux 内核提供了一组原子操作 API 函数来完成此功能， Linux 内核提供了两组原子操作 API 函数，一组是对整形变量进行操作的，一组是对位进行操作的，我们接下来看一下这些 API 函数和相关的数据结构。
1. atomic_t
在 Linux 内核中使用 atomic_t 和 atomic64_t 结构体分别来完成 32 位系统和 64 位系统的 整形数据原子操作， 两个结构体定义在 types.h - include/linux/types.h 文件中
typedef struct {
int counter;
} atomic_t;
#ifdef CONFIG_64BIT
typedef struct {
long counter;
} atomic64_t;
#endif2. 原子整形操作 API
如果要使用原子操作 API 函数，首先要先定义一个 atomic_t 的变量，如下所示 ：
atomic_t a; // 定义 a也可以在定义原子变量的时候给原子变量赋初值，如下所示 :
atomic_t b = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量 b 并赋初值为 0原子变量有了，接下来就是对原子变量进行操作，比如读、写、增加、减少等等， Linux 内核提供了大量的原子操作 API 函数，其实这些大部分都是宏：
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| ATOMIC_INIT(int i) | 定义原子变量的时候对其初始化， 赋值为 i |
| int atomic_read(atomic_t *v) | 读取 v 的值， 并且返回。 |
| void atomic_set(atomic_t *v, int i) | 向原子变量 v 写入 i 值。 |
| void atomic_add(int i, atomic_t *v) | 原子变量 v 加上 i 值。 |
| void atomic_sub(int i, atomic_t *v) | 原子变量 v 减去 i 值。 |
| void atomic_inc(atomic_t *v) | 原子变量 v 加 1 |
| void atomic_dec(atomic_t *v) | 原子变量 v 减 1 |
| int atomic_dec_return(atomic_t *v) | 原子变量 v 减 1， 并返回 v 的值。 |
| int atomic_inc_return(atomic_t *v) | 原子变量 v 加 1， 并返回 v 的值。 |
| int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v) | 原子变量 v 减 i， 如果结果为 0 就返回真， 否则返回假 |
| int atomic_dec_and_test(atomic_t *v) | 原子变量 v 减 1， 如果结果为 0 就返回真， 否则返回假 |
| int atomic_inc_and_test(atomic_t *v) | 原子变量 v 加 1， 如果结果为 0 就返回真， 否则返回假 |
| int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v) | 原子变量 v 加 i， 如果结果为负就返回真， 否则返回 |
这些都分散定义在这些头文件，它们是：
相应的也提供了 64 位原子变量的操作 API 函数，这里我们就不详细了解，和上表中的 API 函数有用法一样，只是将“atomic_”前缀换为“atomic64_”，将 int 换为 long long。如果使用的是 64 位的 SOC，那么就要使用 64 位的原子操作函数。原子变量和相应的 API 函数使用起来很简单，参考如下:
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); /* 定义并初始化原子变零 v = 0 */
atomic_set(&v, 10); /* 设置 v = 10 */
atomic_read(&v); /* 读取 v 的值，肯定是 10 */
atomic_inc(&v); /* v 的值加 1， v = 11 */3. 原子位操作 API
位操作也是很常用的操作， Linux 内核也提供了一系列的原子位操作 API 函数，只不过原子位操作不像原子整形变量那样有个 atomic_t 的数据结构，原子位操作是直接对内存进行操作， API 函数如下：
| 函数 | 描述 |
|---|---|
| void set_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位置 1。 |
| void clear_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位清零。 |
| void change_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位进行翻转。 |
| int test_bit(int nr, void *p) | 获取 p 地址的第 nr 位的值。 |
| int test_and_set_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位置 1，并且返回 nr 位原来的值。 |
| int test_and_clear_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位清零，并且返回 nr 位原来的值。 |
| int test_and_change_bit(int nr, void *p) | 将 p 地址的第 nr 位翻转，并且返回 nr 位原来的值。 |
Tips：
三、原子操作 demo
1. demo 源码
在 xxx_open()函数和 xxx_release()函数中加入原子整形变量 v 的赋值代码， 并且在 open()函数中加入原子整形变量 v 的判断代码， 从而实现同一时间内只允许一个应用打开该设备节点， 以此来防止共享资源竞争的产生。
2. 开发板验证
我们将编译得到的 sdriver_demo.ko、app_demo.out 拷贝到开发板。
- （1）加载驱动
insmod sdriver_demo.ko
- （2）1 个应用程序访问 设备节点
./app_demo.out /dev/sdevchr 2 0 sumu1
在 open 的时候，原子变量变为 0，在 release 的时候，原子变量的值恢复到 1。
- （3）2 个应用程序访问 设备节点
./app_demo.out /dev/sdevchr 2 0 sumu1 &
./app_demo.out /dev/sdevchr 2 0 sumu2 &
可以看到应用程序在打开第二次 /dev/sdevchr 文件的时候， 出现了“can't open file /dev/sdevchr !”打印， 证明文件打开失败， 只有在第一个应用关闭相应的文件之后， 下一个应用才能打开， 通过限制同一时间内设备访问数量， 来对共享资源进行保护。
参考资料：