Целочисленные атомарные операции

Целочисленные атомарные операции

Средства выполнения атомарных операций с целыми числами работают с типом данных atomic_t. Вместо того, чтобы использовать функции, которые работают непосредственно с типом данных int языка С, по ряду причин используется специальный тип данных. Во-первых, функции, которые выполняют атомарные операции, принимают только аргументы типа atomic_t, это гарантирует, что атомарные операции выполняются только с данными этого специального типа. В то же время это также гарантирует, что данные этого типа не смогут передаваться в другие функции, которые не выполняют атомарных операций. Действительно, ничего хорошего не будет от таких атомарных операций, которые иногда атомарные, а иногда — нет. Следующий момент — использование типа atomic_t позволяет гарантировать, что компилятор (по ошибке, но для повышения эффективности) не будет оптимизировать операции обращения к атомарным переменным. Важно, чтобы атомарные операции получали правильное значение адреса переменной в памяти, а не адреса временных копий. И наконец, за типом atomic_t скрываются различия между реализациями для различных аппаратных платформ.

Кроме того, что тип atomic_t — это 32-разрядное целое число на всех машинах, которые поддерживаются операционной системой Linux, при разработке кода необходимо учитывать, что максимальный диапазон значений переменной этого типа не может быть больше 24 бит. Это связано с аппаратной платформой SPARC, для которой используется несколько странная реализация атомарных операций: в младшие 8 бит 32-разрядного целого числа типа int встроена блокировка, как показано на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Структура 32-битового типа atomic_t для аппаратной платформы SPARC в старой реализации

Блокировка используется для предотвращения параллельного доступа к переменной атомарного типа, так как для аппаратной платформы SPARC отсутствует соответствующая поддержка на уровне машинных инструкций. Следовательно, на машинах SPARC могут быть использованы только 24 бит. Хотя код, который рассчитан на использование полного 32-битового диапазона значений, будет работать и на машинах других типов, он может приводить к странным и коварным ошибкам на машинах типа SPARC, и так делать не нужно. В последнее время умные хакеры додумались, как для аппаратной платформы SPARC обеспечить тип atomic_t, который позволяет хранить полноценное 32-разрядное целое число, и указанного ограничения больше не существует. Тем не менее старая 24-битовая реализация все еще используется в старом коде для аппаратной платформы SPARC, и этот код все еще имеется в файле <asm/atomic.h> для этой аппаратной платформы.

Объявления всего, что необходимо для использования целочисленных атомарных операций, находятся в заголовочном файле <asm/atomic.h>. Для некоторых аппаратных платформ существуют дополнительные средства, которые уникальны только для этой платформы, но для всех аппаратных платформ существует минимальный набор операций, которые используются в ядре повсюду. При написании кода ядра необходимо гарантировать, что соответствующие операции доступны и правильно реализованы для всех аппаратных платформ.

Объявление переменных типа atomic_t производится обычным образом. При необходимости можно установить заданное значение этой переменной.

atomic_t u; /* определение переменной u */

atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); /* определение переменной v

                    и инициализация ее в значение нуль */

Выполнять операции так же просто.

atomic_set(&v, 4); /* v=4 (атомарно) */

atomic_add(2, &v); /* v = v + 2 = 6 (атомарно) */

atomic_inc(&v); /* v = v+1 = 7 (атомарно) */

Если необходимо конвертировать тип atomic_t в тип int, то нужно использовать функцию atomic_read().

printk("%d ", atomic_read(&v)); /* будет напечатано "7" */

Наиболее частое использование атомарных целочисленных операций — это инкремент счетчиков. Защищать один счетчик с помощью сложной системы блокировок — это глупо, поэтому разработчики используют вызовы atomic_inc() и atomic_dec(), которые значительно быстрее. Еще одно использование атомарных целочисленных операций — это атомарное выполнение операции с проверкой результата. Наиболее распространенный пример — это атомарные декремент и проверка результата, с помощью функции

int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);

Эта функция уменьшает на единицу значение заданной переменной атомарного типа. Если результат выполнения операции равен нулю, то возвращается значение true, иначе возвращается false. Полный список всех атомарных операций с целыми числами (т.е. тех, которые доступны для всех аппаратных платформ) приведен в табл. 9.1. Все операции, которые реализованы для определенной аппаратной платформы, приведены в файле <asm/atomic.h>.

Таблица 9.1. Полный список всех атомарных операций с целыми числами

Обычно атомарные операции реализованы как функции с подстановкой тела и встраиваемыми инструкциями на языке ассемблера (разработчики ядра любят inline). В случае если какая-либо из функций обладает внутренней атомарностью, то обычно она выполняется в виде макроса. Например, для большинства нормальных аппаратных платформ считывание одного машинного слова данных — это атомарная операция. Операция считывания всегда возвращает машинное слово в непротиворечивом состоянии или перед операцией записи, или после нее, но во время операции записи чтение не может быть выполнено никогда. Следовательно, функция atomic_read() обычно реализуется как макрос, который возвращает целочисленное значение переменной типа atomic_t.

Атомарность и порядок выполнения

От атомарных операций чтения перейдем к различиям между атомарностью и порядком выполнения. Как уже рассказывалось, операции чтения одного машинного слова всегда выполняются атомарно. Эти операции никогда не перекрываются операциями записи того же машинного слова. Иными словами, операция чтения данных всегда возвращает машинное слово в консистентном состоянии: иногда возвращается значение, которое было до записи, а иногда — то, которое стало после записи, но никогда не возвращается значение, которое было во время записи. Например, если целочисленное значение вначале было равно 42, а потом стало 365, то операция чтения всегда вернет значение 42 или 365, но никогда не смешанное значение. Это называется атомарностью.

Иногда бывает так, что вашему коду необходимо нечто большее, например операция чтения всегда выполняется перед ожидающей операцией записи. Это называется не атомарностью, а порядком выполнения (ordering). Атомарность гарантирует, что инструкции выполняются не прерываясь и что они либо выполняются полностью, либо не выполняются совсем. Порядок выполнения же гарантирует, что две или более инструкций, даже если они выполняются разными потоками или разными процессами, всегда выполняются в нужном порядке.

Атомарные операции, которые обсуждаются в этом разделе, гарантируют только атомарность. Порядок выполнения гарантируется с помощью операций барьеров (barrier), которые будут рассмотрены дальше в текущей главе.

В любом коде использование атомарных операций, где это возможно, более предпочтительно по сравнению со сложными механизмами блокировок. Для большинства аппаратных платформ одна или две атомарные операции приводят к меньшим накладным затратам и к более эффективному использованию процессорного кэша, чем в случае более сложных методов синхронизации. Как и в случае любого кода, который чувствителен к производительности, всегда разумным будет протестировать несколько вариантов.