Linux内核中的读写原子操作实现

Question

最近我窥探了原子读写的 Linux 内核实现，并提出了一些问题。

首先是来自ia64架构的相关代码：

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. 对于读取和写入操作，似乎采用了直接方法来读取或写入变量。除非某处有其他技巧，否则我不明白有什么保证可以保证此操作在汇编域中是原子的。我想一个明显的答案是这样的操作转换为一个汇编操作码，但即便如此，考虑到不同的内存缓存级别（或其他优化），如何保证？

2. 在读取宏中，volatile 类型用于强制转换技巧。任何人都知道这如何影响这里的原子性？ （注意在写操作中不使用）

Answer 1

如果您为特定架构编写代码，则可以针对它做出特定假设。
我猜 IA-64 确实会将这些东西编译成一条指令。

缓存应该不是问题，除非计数器跨越缓存行边界。但如果需要 4/8 字节对齐，则不会发生这种情况。

当一条机器指令转换为两次内存访问时，需要一条“真正的”原子指令。增量（读取、增量、写入）或比较&交换就是这种情况。

volatile 会影响编译器可以进行的优化。
例如，它可以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，它什么也不做。

Answer 2

读取在大多数主要架构上都是原子的，只要它们与其大小的倍数对齐（并且不大于给定类型的读取大小），请参阅英特尔架构手册。另一方面，写入有很多不同，英特尔表示在 x86 下，单字节写入和对齐写入可能是原子的，在 IPF (IA64) 下，所有内容都使用获取和释放语义，这将保证原子性，请参阅this。

volatile 阻止编译器在本地缓存该值，从而强制在可以访问它的地方检索它。

Answer 3

我认为您在这里误解了“原子”和“易失性”一词的（非常模糊的）用法。原子只是真正意味着单词将被原子地读取或写入（在一个步骤中，并保证此内存位置的内容将始终是一个写入或另一个，而不是介于两者之间）。而volatile 关键字告诉编译器永远不要假设由于较早的读/写而位于该位置的数据（基本上，永远不要优化读取）。

“原子”和“易失性”这两个词在这里并不意味着存在任何形式的内存同步。两者都不意味着任何读/写障碍或栅栏。关于内存和缓存的一致性，没有任何保证。这些功能基本上只是在软件层面是原子的，硬件可以优化/撒谎，但它认为合适。

现在说说为什么简单的读取就足够了：每种架构的内存模型都不同。许多架构可以保证对与某个字节偏移或 x 个字长等对齐的数据进行原子读取或写入，并且因 CPU 而异。 Linux 内核包含许多针对不同架构的定义，使其无需任何原子调用（基本上是CMPXCHG）就可以在保证（有时甚至仅在实践中，即使实际上他们的规范说实际上并不保证）原子的平台上读/写。

至于volatile，虽然没有必要一般除非你访问内存映射的IO，这完全取决于atomic_read和atomic_write 正在调用宏。许多编译器会（尽管它没有在 C 规范中设置）为 volatile 变量生成内存屏障/栅栏（GCC 就是其中之一。MSVC 肯定会这样做。）。虽然这通常意味着所有对该变量的读取/写入现在正式免除几乎任何编译器优化，在这种情况下，仅通过创建“虚拟”易失性变量这个特定的读/写实例是优化和重新排序的禁区。