原子变量linux
当多个进程同时访问一个文件的时候，普通的write/read在执行的时候，无法保证操作的原子性，可能会导致文件被污染，达不到预期的结果。
任何一个需要多个函数调用的操作都不可能是原子操作，因为在两个函数调用间，内核可能会将进程挂起执行另外的进程。
如果想要避免这种情况的话，则需要使用pread/pwrite函数
ssize_t pread(int fd ，void *buffer ，size_t size，off_t offset)
返回真正读取到的字节数，offset是指的从文件开始位置起的offset个字节数开始读。其余的参数与read无异。
PS:
pread是无法中断的原子操作，无法中断它的定位和读取操作
pread读取过后的文件偏移量不会发生改变
同理pwrite也是一样的
而在文件创建的时候也是一样的，当需要做文件创建同步的时候，我们需要在O_CREATE的时候，加上O_EXCL标志位，当已经创建过的话，会返回fd，否则返回错误
int p( int filedes)：
传入一个文件描述符，返回当前可用的最小文件描述符。
int p2(int filedes，int filedes2)：
传入文件描述符，以及新的文件描述符，如果新的文件描述符所指向的文件已经打开，则会强行将其关闭后，将该文件描述符指向到已存在的文件描述符。
如果filedes和filedes2指向同一个文件，则不做任何处理，直接返回filedes2，不会关闭文件
新返回回来的filedes2会共享filedes的文件状态标识，文件偏移量等等信息。因为它们的文件指针会指向文件表的同一个位置。只是fd不一样而已。
Ⅱ Linux中的原子变量如何取地址，如何给定义的原子变量赋指定的地址
首先请确定你要做原子操作的对象是谁？是一个地址，还是地址指向的数据？
如果把数据做为原子对象，直接对数据进行原子操作即可，数据的指针不用做原子操作。
Ⅲ linux内核同步问题
Linux内核设计与实现 十、内核同步方法
手把手教Linux驱动5-自旋锁、信号量、互斥体概述
== 基础概念： ==
并发 ：多个执行单元同时进行或多个执行单元微观串行执行，宏观并行执行
竞态 ：并发的执行单元对共享资源（硬件资源和软件上的全局变量）的访问而导致的竟态状态。
临界资源 ：多个进程访问的资源
临界区 ：多个进程访问的代码段
== 并发场合： ==
1、单CPU之间进程间的并发 :时间片轮转，调度进程。 A进程访问打印机，时间片用完，OS调度B进程访问打印机。
2、单cpu上进程和中断之间并发 ：CPU必须停止当前进程的执行中断;
3、多cpu之间
4、单CPU上中断之间的并发
== 使用偏向： ==
==信号量用于进程之间的同步，进程在信号量保护的临界区代码里面是可以睡眠的（需要进行进程调度），这是与自旋锁最大的区别。==
信号量又称为信号灯，它是用来协调不同进程间的数据对象的，而最主要的应用是共享内存方式的进程间通信。本质上，信号量是一个计数器，它用来记录对某个资源（如共享内存）的存取状况。它负责协调各个进程，以保证他们能够正确、合理的使用公共资源。它和spin lock最大的不同之处就是：无法获取信号量的进程可以睡眠，因此会导致系统调度。
1、==用于进程与进程之间的同步==
2、==允许多个进程进入临界区代码执行，临界区代码允许睡眠；==
3、信号量本质是==基于调度器的==，在UP和SMP下没有区别；进程获取不到信号量将陷入休眠，并让出CPU；
4、不支持进程和中断之间的同步
5、==进程调度也是会消耗系统资源的，如果一个int型共享变量就需要使用信号量，将极大的浪费系统资源==
6、信号量可以用于多个线程，用于资源的计数（有多种状态）
==信号量加锁以及解锁过程：==
sema_init(&sp->dead_sem, 0); / 初始化 /
down(&sema);
临界区代码
up(&sema);
==信号量定义：==
==信号量初始化：==
==dowm函数实现：==
==up函数实现：==
信号量一般可以用来标记可用资源的个数。
举2个生活中的例子：
==dowm函数实现原理解析：==
（1）down
判断sem->count是否 > 0，大于0则说明系统资源够用，分配一个给该进程，否则进入__down(sem);
（2）__down
调用__down_common(sem, TASK_UNINTERRUPTIBLE, MAX_SCHEDULE_TIMEOUT);其中TASK_UNINTERRUPTIBLE=2代表进入睡眠，且不可以打断；MAX_SCHEDULE_TIMEOUT休眠最长LONG_MAX时间；
（3）list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
把当前进程加入到sem->wait_list中；
（3）先解锁后加锁;
进入__down_common前已经加锁了，先把解锁，调用schele_timeout(timeout)，当waiter.up=1后跳出for循环；退出函数之前再加锁；
Linux内核ARM构架中原子变量的底层实现研究
rk3288 原子操作和原子位操作
原子变量适用于只共享一个int型变量；
1、原子操作是指不被打断的操作，即它是最小的执行单位。
2、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)
==常见函数：==
==以atomic_inc为例介绍实现过程==
在Linux内核文件archarmincludeasmatomic.h中。 执行atomic_read、atomic_set这些操作都只需要一条汇编指令，所以它们本身就是不可打断的。 需要特别研究的是atomic_inc、atomic_dec这类读出、修改、写回的函数。
所以atomic_add的原型是下面这个宏：
atomic_add等效于：
result（%0） tmp（%1） (v->counter)（%2） (&v->counter)（%3） i（%4）
注意：根据内联汇编的语法，result、tmp、&v->counter对应的数据都放在了寄存器中操作。如果出现上下文切换，切换机制会做寄存器上下文保护。
（1）ldrex %0, [%3]
意思是将&v->counter指向的数据放入result中，并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。
（2）add %0, %0, %4
result = result + i
（3）strex %1, %0, [%3]
意思是将result保存到&v->counter指向的内存中， 此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。
（4） teq %1, #0
测试strex是否成功（tmp == 0 ？？）
（5）bne 1b
如果发现strex失败，从（1）再次执行。
Spinlock 是内核中提供的一种比较常见的锁机制，==自旋锁是“原地等待”的方式解决资源冲突的==，即，一个线程获取了一个自旋锁后，另外一个线程期望获取该自旋锁，获取不到，只能够原地“打转”（忙等待）。由于自旋锁的这个忙等待的特性，注定了它使用场景上的限制 —— 自旋锁不应该被长时间的持有（消耗 CPU 资源），一般应用在==中断上下文==。
1、spinlock是一种死等机制
2、信号量可以允许多个执行单元进入，spinlock不行，一次只能允许一个执行单元获取锁，并且进入临界区，其他执行单元都是在门口不断的死等
3、由于不休眠，因此spinlock可以应用在中断上下文中；
4、由于spinlock死等的特性，因此临界区执行代码尽可能的短；
==spinlock加锁以及解锁过程：==
spin_lock(&devices_lock);
临界区代码
spin_unlock(&devices_lock);
==spinlock初始化==
==进程和进程之间同步==
==本地软中断之间同步==
==本地硬中断之间同步==
==本地硬中断之间同步并且保存本地中断状态==
==尝试获取锁==
== arch_spinlock_t结构体定义如下： ==
== arch_spin_lock的实现如下： ==
lockval（%0） newval（%1） tmp（%2） &lock->slock（%3） 1 << TICKET_SHIFT（%4）
（1）ldrex %0, [%3]
把lock->slock的值赋值给lockval；并且（分别在Local monitor和Global monitor中）设置独占标志。
（2）add %1, %0, %4
newval =lockval +（1<<16）; 相当于next+1；
（3）strex %2, %1, [%3]
newval =lockval +（1<<16）; 相当于next+1；
意思是将newval保存到 &lock->slock指向的内存中， 此时 Exclusive monitors会发挥作用，将保存是否成功的标志放入tmp中。
（4） teq %2, #0
测试strex是否成功
（5）bne 1b
如果发现strex失败，从（1）再次执行。
通过上面的分析，可知关键在于strex的操作是否成功的判断上。而这个就归功于ARM的Exclusive monitors和ldrex/strex指令的机制。
（6）while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner)
如何lockval.tickets的next和owner是否相等。相同则跳出while循环，否则在循环内等待判断；
* （7）wfe()和smp_mb() 最终调用#define barrier() asm volatile ("": : :"memory") *
阻止编译器重排，保证编译程序时在优化屏障之前的指令不会在优化屏障之后执行。
== arch_spin_unlock的实现如下： ==
退出锁时：tickets.owner++
== 出现死锁的情况： ==
1、拥有自旋锁的进程A在内核态阻塞了，内核调度B进程，碰巧B进程也要获得自旋锁，此时B只能自旋转。 而此时抢占已经关闭，（单核）不会调度A进程了，B永远自旋，产生死锁。
2、进程A拥有自旋锁，中断到来，CPU执行中断函数，中断处理函数，中断处理函数需要获得自旋锁，访问共享资源，此时无法获得锁，只能自旋，产生死锁。
== 如何避免死锁： ==
1、如果中断处理函数中也要获得自旋锁，那么驱动程序需要在拥有自旋锁时禁止中断；
2、自旋锁必须在可能的最短时间内拥有
3、避免某个获得锁的函数调用其他同样试图获取这个锁的函数，否则代码就会死锁；不论是信号量还是自旋锁，都不允许锁拥有者第二次获得这个锁，如果试图这么做，系统将挂起；
4、锁的顺序规则（a) 按同样的顺序获得锁；b) 如果必须获得一个局部锁和一个属于内核更中心位置的锁，则应该首先获取自己的局部锁 ;c) 如果我们拥有信号量和自旋锁的组合，则必须首先获得信号量；在拥有自旋锁时调用down(可导致休眠)是个严重的错误的；）
== rw（read/write）spinlock： ==
加锁逻辑：
1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入
2、假设临界区内有一个读线程，这时候信赖的read线程可以任意进入，但是写线程不能进入；
3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；
4、假设临界区内有一个或者多个读线程，写线程不可以进入临界区，但是写线程也无法阻止后续的读线程继续进去，要等到临界区所有的读线程都结束了，才可以进入，可见：==rw（read/write）spinlock更加有利于读线程；==
== seqlock（顺序锁）： ==
加锁逻辑：
1、假设临界区内没有任何的thread，这个时候任何的读线程和写线程都可以键入
2、假设临界区内没有写线程的情况下，read线程可以任意进入；
3、假设临界区有一个写线程，这时候任何的读、写线程都不可以进入；
4、假设临界区内只有read线程的情况下，写线程可以理解执行，不会等待，可见：==seqlock（顺序锁）更加有利于写线程；==
读写速度 ： CPU > 一级缓存 > 二级缓存 > 内存 ，因此某一个CPU0的lock修改了，其他的CPU的lock就会失效；那么其他CPU就会依次去L1 L2和主存中读取lock值，一旦其他CPU去读取了主存，就存在系统性能降低的风险；
mutex用于互斥操作。
互斥体只能用于一个线程，资源只有两种状态（占用或者空闲）
1、mutex的语义相对于信号量要简单轻便一些，在锁争用激烈的测试场景下，mutex比信号量执行速度更快，可扩展
性更好，
2、另外mutex数据结构的定义比信号量小;、
3、同一时刻只有一个线程可以持有mutex
4、不允许递归地加锁和解锁
5、当进程持有mutex时，进程不可以退出。
• mutex必须使用官方API来初始化。
• mutex可以睡眠，所以不允许在中断处理程序或者中断下半部中使用，例如tasklet、定时器等
==常见操作：==
struct mutex mutex_1;
mutex_init(&mutex_1);
mutex_lock(&mutex_1)
临界区代码；
mutex_unlock(&mutex_1)
==常见函数：==
=
Ⅳ Linux上有哪些操作是原子操作
所谓原子操作，就是该操作绝不会在执行完毕前被任何其他任务或事件打断，也就说，它的最小的执行单位，不可能有比它更小的执行单位，因此这里的原子实际是使用了物理学里的物质微粒的概念。
原子操作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构struct ipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1。
当不需要引用该IP碎片时，就使用函数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放IP碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。
Ⅳ linux 2.6内核有关原子变量的定义问题
原子意味着不可分割，所谓原子操作就是对变量的读写不能被打断的操作。
举个简单点儿的例子：
1. 假如在一个i386体系架构上；
2. 如果有一个进程要将一个int型的变量改成0x12345678；
3. 另一个进程也希望把这同一个变量改成0x87654321。
4. 如果这个变量的地址没有4字节对齐，那么cpu要改写它的值的话需要两次总线操作。
那么（假设下面的场景，即下列事件先后发生）：
1. 第一个进程刚把高字节写入（x=0x1234xxxx）内存（xxxx表示不确定）；
2. 第二进程就抢占了第一个进程的运行，把第一个进程改了一半的变量改成0x87654321。（当然他也需要两次总线操作，但我们假设他的优先级比第一个进程高）
3. 第二个进程结束运行后，第一个进程又得到了调度，它并不知道自己对变量的操作被另一个进程打断过，所以他会继续更改变量的低字节。
所以，最后这个变量的值就是0x87655678，显然这是两个进程都不想要得到的结果。通过上面的分析你应该知道问题的关键就在于对存储空间的访问被打断了造成的。所以在内核中定义了一系列的原子操作来保证对变量的操作是“原子”的。这种互斥不是高级语言能实现的，必须用汇编，而且依赖于体系架构。对i386来说就是在读写变量的时候先把总线锁住，你可以仔细看看ATOMIC_INIT这个宏的定义。
Ⅵ linux原子操作和自旋锁的区别
现代操作系统支持多任务的并发，并发在提高计算资源利用率的同时也带来了资源竞争的问题。例如C语言语句“count++;”在未经编译器优化时生成的汇编代码为。
当操作系统内存在多个进程同时执行这段代码时，就可能带来并发问题。
假设count变量初始值为0。进程1执行完“mov eax, [count]”后，寄存器eax内保存了count的值0。此时，进程2被调度执行，抢占了进程1的CPU的控制权。进程2执行“count++;”的汇编代码，将累加后的count值1写回到内存。然后，进程1再次被调度执行，CPU控制权回到进程1。进程1接着执行，计算count的累加值仍为1，写回到内存。虽然进程1和进程2执行了两次“count++;”操作，但是count实际的内存值为1，而不是2！
单处理器原子操作
解决这个问题的方法是，将“count++;”语句翻译为单指令操作。
Intel x86指令集支持内存操作数的inc操作，这样“count++;”操作可以在一条指令内完成。因为进程的上下文切换是在总是在一条指令执行完成后，所以不会出现上述的并发问题。对于单处理器来说，一条处理器指令就是一个原子操作。
多处理器原子操作
但是在多处理器的环境下，例如SMP架构，这个结论不再成立。我们知道“inc [count]”指令的执行过程分为三步：
1）从内存将count的数据读取到cpu。
2）累加读取的值。
3）将修改的值写回count内存。
这又回到前面并发问题类似的情况，只不过此时并发的主题不再是进程，而是处理器。
Intel x86指令集提供了指令前缀lock用于锁定前端串行总线（FSB），保证了指令执行时不会受到其他处理器的干扰。
使用lock指令前缀后，处理器间对count内存的并发访问（读/写）被禁止，从而保证了指令的原子性。
x86原子操作实现
Linux的源码中x86体系结构原子操作的定义文件为。
linux2.6/include/asm-i386/atomic.h
文件内定义了原子类型atomic_t，其仅有一个字段counter，用于保存32位的数据。
typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;
其中原子操作函数atomic_inc完成自加原子操作。
/**
* atomic_inc - increment atomic variable
* @v: pointer of type atomic_t
*
* Atomically increments @v by 1.
*/
static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)
{
__asm__ __volatile__(
LOCK "incl %0"
:"=m" (v->counter)
:"m" (v->counter));
}
其中LOCK宏的定义为。
#ifdef CONFIG_SMP
#define LOCK "lock ; "
#else
#define LOCK ""
#endif
可见，在对称多处理器架构的情况下，LOCK被解释为指令前缀lock。而对于单处理器架构，LOCK不包含任何内容。
arm原子操作实现
在arm的指令集中，不存在指令前缀lock，那如何完成原子操作呢？
Linux的源码中arm体系结构原子操作的定义文件为。
linux2.6/include/asm-arm/atomic.h
其中自加原子操作由函数atomic_add_return实现。
static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result;
__asm__ __volatile__("@ atomic_add_return\n"
"1: ldrex %0, [%2]\n"
" add %0, %0, %3\n"
" strex %1, %0, [%2]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc");
return result;
}
上述嵌入式汇编的实际形式为。
1:
ldrex [result], [v->counter]
add [result], [result], [i]
strex [temp], [result], [v->counter]
teq [temp], #0
bne 1b
ldrex指令将v->counter的值传送到result，并设置全局标记“Exclusive”。
add指令完成“result+i”的操作，并将加法结果保存到result。
strex指令首先检测全局标记“Exclusive”是否存在，如果存在，则将result的值写回counter->v，并将temp置为0，清除“Exclusive”标记，否则直接将temp置为1结束。
teq指令测试temp值是否为0。
bne指令temp不等于0时跳转到标号1，其中字符b表示向后跳转。
整体看来，上述汇编代码一直尝试完成“v->counter+=i”的操作，直到temp为0时结束。
使用ldrex和strex指令对是否可以保证add指令的原子性呢？假设两个进程并发执行“ldrex+add+strex”操作，当进程1执行ldrex后设定了全局标记“Exclusive”。此时切换到进程2，执行ldrex前全局标记“Exclusive”已经设定，ldrex执行后重复设定了该标记。然后执行add和strex指令，完成累加操作。再次切换回进程1，接着执行add指令，当执行strex指令时，由于“Exclusive”标记被进程2清除，因此不执行传送操作，将temp设置为1。后继teq指令测定temp不等于0，则跳转到起始位置重新执行，最终完成累加操作！可见ldrex和strex指令对可以保证进程间的同步。多处理器的情况与此相同，因为arm的原子操作只关心“Exclusive”标记，而不在乎前端串行总线是否加锁。
在ARMv6之前，swp指令就是通过锁定总线的方式完成原子的数据交换，但是影响系统性能。ARMv6之后，一般使用ldrex和strex指令对代替swp指令的功能。
自旋锁中的原子操作
Linux的源码中x86体系结构自旋锁的定义文件为。
linux2.6/include/asm-i386/spinlock.h
其中__raw_spin_lock完成自旋锁的加锁功能
#define __raw_spin_lock_string \
"\n1:\t" \
"lock ; decb %0\n\t" \
"jns 3f\n" \
"2:\t" \
"rep;nop\n\t" \
"cmpb $0,%0\n\t" \
"jle 2b\n\t" \
"jmp 1b\n" \
"3:\n\t"
static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)
{
__asm__ __volatile__(
__raw_spin_lock_string
:"=m" (lock->slock) : : "memory");
}
上述代码的实际汇编形式为。
1：
lock decb [lock->slock]
jns 3
2:
rep nop
cmpb $0, [lock->slock]
jle 2
jmp 1
3:
其中lock->slock字段初始值为1，执行原子操作decb后值为0。符号位为0，执行jns指令跳转到3，完成自旋锁的加锁。
当再次申请自旋锁时，执行原子操作decb后lock->slock值为-1。符号位为1，不执行jns指令。进入标签2，执行一组nop指令后比较lock->slock是否小于等于0，如果小于等于0回到标签2进行循环（自旋）。否则跳转到标签1重新申请自旋锁，直到申请成功。
自旋锁释放时会将lock->slock设置为1，这样保证了其他进程可以获得自旋锁。
信号量中的原子操作
Linux的源码中x86体系结构自旋锁的定义文件为。
linux2.6/include/asm-i386/semaphore.h
信号量的申请操作由函数down实现。
/*
* This is ugly, but we want the default case to fall through.
* "__down_failed" is a special asm handler that calls the C
* routine that actually waits. See arch/i386/kernel/semaphore.c
*/
static inline void down(struct semaphore * sem)
{
might_sleep();
__asm__ __volatile__(
"# atomic down operation\n\t"
LOCK "decl %0\n\t" /* --sem->count */
"js 2f\n"
"1:\n"
LOCK_SECTION_START("")
"2:\tlea %0,%%eax\n\t"
"call __down_failed\n\t"
"jmp 1b\n"
LOCK_SECTION_END
:"=m" (sem->count)
:
:"memory","ax");
}
实际的汇编代码形式为。
lock decl [sem->count]
js 2
1:
<========== another section ==========>
2:
lea [sem->count], eax
call __down_failed
jmp 1
信号量的sem->count一般初始化为一个正整数，申请信号量时执行原子操作decl，将sem->count减1。如果该值减为负数（符号位为1）则跳转到另一个段内的标签2，否则申请信号量成功。
标签2被编译到另一个段内，进入标签2后，执行lea指令取出sem->count的地址，放到eax寄存器作为参数，然后调用函数__down_failed表示信号量申请失败，进程加入等待队列。最后跳回标签1结束信号量申请。
信号量的释放操作由函数up实现。
/*
* Note! This is subtle. We jump to wake people up only if
* the semaphore was negative (== somebody was waiting on it).
* The default case (no contention) will result in NO
* jumps for both down() and up().
*/
static inline void up(struct semaphore * sem)
{
__asm__ __volatile__(
"# atomic up operation\n\t"
LOCK "incl %0\n\t" /* ++sem->count */
"jle 2f\n"
"1:\n"
LOCK_SECTION_START("")
"2:\tlea %0,%%eax\n\t"
"call __up_wakeup\n\t"
"jmp 1b\n"
LOCK_SECTION_END
".subsection 0\n"
:"=m" (sem->count)
:
:"memory","ax");
}
实际的汇编代码形式为。
lock incl sem->count
jle 2
1:
<========== another section ==========>
2:
lea [sem->count], eax
call __up_wakeup
jmp 1
释放信号量时执行原子操作incl将sem->count加1，如果该值小于等于0，则说明等待队列有阻塞的进程需要唤醒，跳转到标签2，否则信号量释放成功。
标签2被编译到另一个段内，进入标签2后，执行lea指令取出sem->count的地址，放到eax寄存器作为参数，然后调用函数__up_wakeup唤醒等待队列的进程。最后跳回标签1结束信号量释放。