Битовые атомарные операции

Битовые атомарные операции

В дополнение к атомарным операциям с целыми числами, ядро также предоставляет семейство функций, которые позволяют работать на уровне отдельных битов. Не удивительно, что эти операции зависят от аппаратной платформы и определены в файле <asm/bitops.h>.

Тем не менее может вызвать удивление то, что функции, которые реализуют битовые операции, работают с обычными адресами памяти. Аргументами функций являются указатель и номер бита. Бит 0 — это наименее значащий бит числа, которое находится по указанному адресу. На 32-разрядных машинах бит 31 — это наиболее значащий бит, а бит 0 — наименее значащий бит машинного слова. Нет ограничений на значение номера бита, которое передается в функцию, хотя большинство пользователей работают с машинными словами и номерами битов от 0 до 31 (или до 63 для 64-битовых машин).

Так как функции работают с обычными указателями, то в этом случае нет аналога типу atomic_t, который используется для операций с целыми числами. Вместо этого можно использовать указатель на любые данные. Рассмотрим следующий пример.

unsigned long word = 0;

set_bit(0, &word);     /* атомарно устанавливается бит 0 */

set_bit(1, &word);     /* атомарно устанавливается бит 1 */

printk("%ul ", word); /* будет напечатано "3" */

clear_bit(1, &word);   /* атомарно очищается бит 1 */

change_bit(0, &word);  /* атомарно изменяется значение бита 1,

                          теперь он очищен */

/* атомарно устанавливается бит нуль и возвращается предыдущее

   значение этого бита (нуль) */

if (test_and_set_bit(0, &word)) {

 /* условие никогда не выполнится ... */

}

Список стандартных атомарных битовых операций приведен в табл. 9.2.

Таблица 9.2. Список стандартных атомарных битовых операций

Для удобства работы также предоставляются неатомарные версии всех битовых операций. Эти операции работают так же, как и их атомарные аналоги, но они не гарантируют атомарности выполнения операций, и имена этих функций начинаются с двух символов подчеркивания. Например, неатомарная форма функции test_bit() будет иметь имя __test_bit(). Если нет необходимости в том, чтобы операции были атомарными, например, когда данные уже защищены с помощью блокировки, неатомарные операции могут выполняться быстрее.

Откуда берутся неатомарные битовые операции

На первый взгляд, такое понятие, как неатомарная битовая операция, вообще не имеет смысла. Задействован только один бит, и здесь не может быть никакого нарушения целостности. Одна из операций всегда завершится успешно, что еще нужно? Да, порядок выполнения может быть важным, но атомарность-то тут при чем? В конце концов, если значение бита равно тому, которое устанавливается хотя бы одной из операций, то все хорошо, не так ли?

Давайте вспомним, что такое атомарность? Атомарность означает, что операция или завершается полностью, не прерываясь, или не выполняется вообще. Следовательно, если выполняется две атомарные битовые операции, то предполагается, что они обе должны выполниться. Понятно, что значение бита должно быть правильным (и равным тому значению, которое устанавливается с помощью последней операции, как рассказано в конце предыдущего параграфа). Более того, если другие битовые операции тоже выполняются успешно, то в некоторые моменты времени значение бита должно соответствовать тому, которое устанавливается этими промежуточными операциями.

Допустим, выполняются две атомарные битовые операции: первоначальная установка бита, а затем очистка бита. Без атомарности этот бит может быть очищен, но никогда не установлен. Операция установки может начаться одновременно с операцией очистки и не выполниться совсем. Операция очистки бита может завершиться успешно, и бит будет очищен, как и предполагалось. В случае атомарных операций, установка бита выполнится на самом деле. Будет существовать момент времени, в который операция считывания покажет, что бит установлен, после этого выполнится операция очистки и значение бита станет равным нулю.

Иногда может требоваться именно такое поведение, особенно если критичен порядок выполнения.

Ядро также предоставляет функции, которые позволяют найти номер первого установленного (или не установленного) бита, в области памяти, которая начинается с адреса addr:

int find_first_bit(unsigned long *addr, unsigned int size);

int find_first_zero_bit(unsigned long *addr, unsigned int size);

Обе функции в качестве первого аргумента принимают указатель на область памяти и в качестве второго аргумента — количество битов, по которым будет производиться поиск. Эти функции возвращают номер первого установленного или не установленного бита соответственно. Если код производит поиск в одном машинном слове, то оптимальным решением будет использовать функции __ffs() и __ffz(), которые в качестве единственного параметра принимают машинное слово, где будет производиться поиск.

В отличие от атомарных операций с целыми числами, при написании кода обычно нет возможности выбора, использовать или не использовать рассмотренные битовые операции, они являются единственными переносимыми средствами, которые позволяют установить или очистить определенный бит. Вопрос лишь в том, какие разновидности этих операций использовать — атомарные или неатомарные. Если код по своей сути является защищенным от состояний конкуренции за ресурсы, то можно использовать неатомарные операции, которые могут выполняться быстрее для определенных аппаратных платформ.