浅谈ldrex - 爱码网

ldrex简介

在Armv6开始支持多核，通过ldrex与strex指令来保证数据操作的原子性，比如自旋锁的上锁操作、原子变量操作等。在Armv6之前，都是单核，为保证数据的原子性，需要进行关中断操作。对于多核平台，关中断操作只能关闭本核中断，要想对数据进行原子操作，必须借助ldrex指令与strex。对于ldrex指令与strex指令原理这里不在介绍，网上资料很多，下面简单介绍SylixOS的队列式自旋锁实现。

static VOID  armSpinLock (SPINLOCKTYPE *psld, VOIDFUNCPTR  pfuncPoll, PVOID  pvArg)
{
#if __SYLIXOS_ARM_ARCH__ >= 6
    UINT32          uiTemp;
    UINT32          uiNewVal;
    SPINLOCKTYPE    sldVal;

    ARM_PREFETCH(&psld->SLD_uiLock);
    __asm__ __volatile__(
        "1: ldrex   %[oldvalue], [%[slock]]                 \n"
        "   add     %[newvalue], %[oldvalue], %[tshift]     \n"
        "   strex   %[temp],     %[newvalue], [%[slock]]    \n"
        "   teq     %[temp],     #0                         \n"
        "   bne     1b"
        : [oldvalue] "=&r" (sldVal), [newvalue] "=&r" (uiNewVal), [temp] "=&r" (uiTemp)
        : [slock] "r" (&psld->SLD_uiLock), [tshift] "I" (1 << LW_SPINLOCK_TICKET_SHIFT)
        : "cc");

    while (sldVal.SLD_usTicket != sldVal.SLD_usSvcNow) {
        if (pfuncPoll) {
            pfuncPoll(pvArg);
        } else {
            __asm__ __volatile__(ARM_WFE(""));
        }
        sldVal.SLD_usSvcNow = LW_ACCESS_ONCE(UINT16, psld->SLD_usSvcNow);
    }
#endif                                                                  /*  __SYLIXOS_ARM_ARCH__ >= 6   */
}

为避免线程在获取自旋锁时出现饥饿状态，在实现自旋锁时按照先到先得的机制。主要实现思路就是每个线程在获取自旋锁时，会对SLD_usTicket加1，释放时对SLD_usSvcNow加1，当两个值相等时，代表获取到锁。假设有三个线程A、B、C，访问锁的顺序依次为A -> B -> C，起初SLD_usTicket和SLD_usSvcNow都为0，线程A首先获取到锁的值，存储在sldVal中，此时sldVal中SLD_usTicket和SLD_usSvcNow都为0。注意，这里是先将锁的值保存到sldVal中，然后对锁的SLD_usTicket加1。这样，当线程B获取锁时，sldVal中的SLD_usTicket为1，然后也对锁的SLD_usTicket加1，当线程C获取锁时，sldVal中的SLD_usTicket为2。当线程A释放锁时，SLD_usSvcNow的值才会加1，此时线程B才可以获取锁，这样就保证了按队列方式获取锁。因为在自旋的过程中，不会发生任务切换，所以至多有CPU核数数量的线程同时获取锁，不会导致SLD_usTicket加1溢出时会和先到者冲突。

对于自旋锁的释放则比较简单：

static VOID  armSpinUnlock (SPINLOCKTYPE *psld)
{
#if __SYLIXOS_ARM_ARCH__ >= 6
    psld->SLD_usSvcNow++;
    armDsb();
    __asm__ __volatile__(ARM_SEV);
#endif                                                                  /*  __SYLIXOS_ARM_ARCH__ >= 6   */
}

ldrex使用问题

ldrex与strex指令的结合确实强大，对于一些古老的多核处理器，需要锁总线来保证数据原子操作(如x86)，这样会导致访问效率降低。而ldrex和strex没有进行锁总线操作，并且在两条指令之间可以对变量进行复杂的操作，不仅仅是加1减1操作。但是也需要注意ldrex与strex指令要想正常工作，也是有前提的，笔者在开发ti 66AH2H（4核cortex-A15）平台BSP时，就遇到了这个问题，先看下ARM手册对于ldrex指令的相关说明：
浅谈ldrex

上述内容来源于ARM官方文档（DDI0438I_cortex_a15_r4p0_trm.pdf），主要表达意思就是对于ldrex和strex指令的支持需要global monitor，而global monitor的实现由两种，一种是内部实现，需要开启cache。另一种是外部实现（和芯片有关系，有的芯片没有实现），通过总线监听的方式。当内部和外部都实现时，优先使用内部global monitor。笔者在开发ti 66AH2H（4核cortex-A15）平台BSP时，就在没有开启cache时使用了ldrex指令，系统工作异常，这也说明了66AH2H没有实现外部global monitor。同样是ti cortex-A15(AM5728)，就实现了外部global monitor，zynq 7000双核cortex-A9(Armv7-A)也可以在不开启cache时使用ldrex指令，外部global monitor是否实现与芯片有关系，为安全起见，尽量不在开启cache前使用ldrex和strex指令。