Linux内核中的原子操作读写实现

Question

最近我查看了Linux内核实现原子读写的代码，然后出现了一些问题。

首先是ia64架构下的相关代码：

typedef struct {
    int counter;
} atomic_t;

#define atomic_read(v)      (*(volatile int *)&(v)->counter)
#define atomic64_read(v)    (*(volatile long *)&(v)->counter)

#define atomic_set(v,i)     (((v)->counter) = (i))
#define atomic64_set(v,i)   (((v)->counter) = (i))

1. 针对读写操作，似乎采用了直接访问变量的方法。除非在其他地方做了一些魔法，否则我无法理解在汇编领域中这个操作如何保证原子性。或许一个显而易见的答案是这个操作会转换成一个汇编指令，但即使这样，在考虑到不同的内存缓存级别（或者其他优化）时，这还有什么保障呢？

2. 在读取宏定义中，使用了一个强制类型转换技巧来使用volatile类型。有人知道这对原子性有什么影响吗？（注意在写入操作中没有使用该类型）

- EdwardH

Answer 1

我认为您对“原子”和“易失性”这两个词的使用存在误解（非常模糊）。“原子”实际上只意味着单词将被原子地读取或写入（一步完成，并保证该内存位置的内容始终是一个写入或另一个写入，而不是介于两者之间的某些内容）。而“易失性”关键字告诉编译器永远不要假定由于先前的读取/写入而在该位置上的数据（基本上不要优化掉读取）。

“原子”和“易失”在这里并不意味着存在任何形式的内存同步。没有涉及到任何关于内存和高速缓存一致性的保证。这些函数在软件级别上基本上是原子的，硬件可以根据自己的意愿进行优化和改变。

现在为什么只需要读取：每种体系结构的内存模型都是不同的。许多体系结构可以保证针对特定字节偏移量或长度为x字的数据的原子读取或写入，并且从CPU到CPU都是不同的。Linux内核包含许多定义，用于不需要在保证原子读/写的平台上进行任何原子调用（例如，CMPXCHG）。

至于“易失性”，除非您正在访问内存映射的IO，否则通常情况下不需要它，但这取决于何时/在何处/为什么调用“原子读取”和“原子写入”宏。许多编译器会为易失变量生成内存屏障/栅栏（尽管这在C规范中并没有设置）。虽然这通常意味着所有对此变量的读/写现在都正式免除了几乎任何编译器优化，但在这种情况下，通过创建“虚拟”易失性变量，仅对该特定的读取/写入实例进行优化和重新排序是被禁止的。

- Mahmoud Al-Qudsi

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几乎（全部？）CPU 保证对于任何字长的内存主操作（加载或存储）的原子访问，针对普通内存（用于普通对象的内存）自然对齐（在许多情况下也适用于大多数不对齐的访问，适合缓存行）。 - curiousguy

Answer 2

阅读对于大多数主要体系结构来说是原子性的，只要它们被对齐到它们的大小的倍数（并且不比给定类型的读取大小更大），请参见Intel架构手册。另一方面，写入可能是不同的，Intel指出，在x86下，单字节写和对齐写可以是原子的，在IPF（IA64）下，所有内容都使用获取和释放语义，这将使其保证原子性，请参见this。 volatile 防止编译器将值缓存在本地，强制在任何访问它的地方检索它。

- Necrolis

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在现代内核中，volatile 是通过一个名为 READ_ONCE() / WRITE_ONCE 的宏来使用的。我理解的是编译器在技术上允许多次读/写该值。例如，如果代码将读取值复制到本地变量中，然后在不同的位置使用该变量，则必须将其描述为更多防止该值被本地缓存。完整描述请参见：https://lwn.net/Articles/508991/。 - sourcejedi

Answer 3

如果您为特定架构编写代码，可以做出特定于该架构的假设。我猜 IA-64 将这些内容编译为单个指令。

除非计数器跨越缓存行边界，否则缓存不应该成为问题。但如果需要 4/8 字节对齐，则不会发生这种情况。

当机器指令转换为两个内存访问时，需要一个“真正”的原子操作指令。这适用于增量（读取、增加、写入）或比较并交换。

"volatile" 影响编译器可以执行的优化。例如，它防止编译器将多个读取转换为一个读取。但在机器指令级别上，它无效。

- ugoren