ARM体系架构下的同步操作
作者：互联网
处理器在访问共享资源时，必须对临界区进行同步，即保证同一时间内，只有一个对临界区的访问者。当共享资源为一内存地址时，原子操作是对该类型共享资源同步访问的最佳方式。随着应用的日益复杂和SMP的广泛使用，处理器都开始提供硬件同步原语以支持原子地更新内存地址。
CISC处理器比如IA32，可以提供单独的多种原子指令完成复杂的原子操作，由处理器保证读-修改-写回过程的原子性。而RISC则不同，由于除Load和Store的所有操作都必须在寄存器中完成，如何保证从装载内存地址到寄存器，到修改寄存器中的值，再到将寄存器中的值写回内存中可以原子性的完成，便成为了处理器设计的关键。
从ARMv6架构开始，ARM处理器提供了Exclusive accesses同步原语，包含两条指令： LDREX STREX LDREX和STREX指令，将对一个内存地址的原子操作拆分成两个步骤，同处理器内置的记录exclusive accesses的exclusive monitors一起，完成对内存的原子操作。
LDREX
LDREX与LDR指令类似，完成将内存中的数据加载进寄存器的操作。与LDR指令不同的是，该指令也会同时初始化exclusive monitor来记录对该地址的同步访问。例如
1 | |
会将R0寄存器中内存地址的数据，加载进R1中并更新exclusive monitor。
STREX
该指令的格式为：
1 | |
STREX会根据exclusive monitor的指示决定是否将寄存器中的值写回内存中。如果exclusive monitor许可这次写入，则STREX会将寄存器Rm的值写回Rn所存储的内存地址中，并将Rd寄存器设置为0表示操作成功。如果exclusive monitor禁止这次写入，则STREX指令会将Rd寄存器的值设置为1表示操作失败并放弃这次写入。应用程序可以根据Rd中的值来判断写回是否成功。
在下面部分中，我会以Linux Kernel中如何编写原子操作代码具体介绍LDREX和STREX的使用方法，并介绍gcc提供的ARM架构下的关于这两条指令的C语言扩展。
为了实现对内存地址同步访问而引入的 LDREX STREX 两条指令。在这篇文章里，首先会以Linux Kernel中ARM架构的原子相加操作为例，介绍这两条指令的使用方法；之后，会介绍GCC提供的一些内置函数，这些同步函数使用这两条指令完成同步操作。
Linux Kernel中的atomic_add函数
如下是Linux Kernel中使用的atomic_add函数的定义，它实现原子的给v指向的atomic_t增加i的功能。
atomic_add
static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
unsigned long tmp;
int result;
__asm__ __volatile__("@ atomic_add\n"
"1: ldrex %0, [%3]\n"
" add %0, %0, %4\n"
" strex %1, %0, [%3]\n"
" teq %1, #0\n"
" bne 1b"
: "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Qo" (v->counter)
: "r" (&v->counter), "Ir" (i)
: "cc");
}在第7行，使用LDREX指令将v->counter所指向的内存地址的值装入寄存器中，并初始化exclusive monitor。 在第8行，将该寄存器中的值与i相加。 在第9，10，11行，使用STREX指令尝试将修改后的值存入原来的地址，如果STREX写入%1寄存器的值为0，则认为原子更新成功，函数返回；如果%1寄存器的值不为0，则认为exclusive monitor拒绝了本次对内存地址的访问，则跳转回第7行重新进行以上所述的过程，直到成功将修改后的值写入内存为止。该过程可能多次反复进行，但可以保证，在最后一次的读-修改-写回的过程中，没有其他代码访问该内存地址。
GCC内置的原子操作函数
看了上面的GCC内联汇编，是不是有点晕？在用户态下，GCC为我们提供了一系列内置函数，这些函数可以让我们既享受原子操作的好处，又免于编写复杂的内联汇编指令。这一系列的函数均以__sync开头，分为如下几类：
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)
这一系列函数完成对ptr所指向的内存地址的对应操作，并返回操作之前的值。
type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
这一系列函数完成对ptr所指向的内存地址的对应操作，并返回操作之后的值。
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
这两个函数完成对变量的原子比较和交换。即如果ptr所指向的内存地址存放的值与oldval相同的话，则将其用newval的值替换。 返回bool类型的函数返回比较的结果，相同为true，不同为false；返回type的函数返回的是ptr指向地址交换前存放的值。
参考资料：
标签：__,...,架构,sync,ptr,同步操作,内存地址,type,ARM 来源： https://blog.csdn.net/u013178472/article/details/115481898