x86平台原子操作API的實現原理

原子操作的意義

對於軟體來說，**的行為必須是確定的，就是說通過手工分析**也能預知執行結果。但是程式在併發和並行時，因為作業系統任務排程的不確定性和多處理器之間的相互影響，導致**執行的結果無法預知。這種情況下，只有強制保證某些指令的執行是原子操作，**執行結果才是可預知的，原子操作也是多工作業系統設計的基石。正確的使用原子操作，可以避免多工導致的髒資料，保證**行為的正確。下面通過一段**說明為什麼程式在併發和並行時需要原子操作。

#include #include #include #include int g_count1;
volatile long g_count2;
handle h_event;
unsigned int callback func_callback(void *context);
int main(const int argc, const char *argv)
unsigned int callback func_callback(void *context)
return 0;
}

輸出結果 g_count1=16627 g_count2=20000 可以看到g_count1的結果小於20000。可以看下反彙編來分析：

while (count-- > 0)

00fb144c mov eax,dword ptr [count]

00fb144f mov dword ptr [ebp-0d0h],eax

00fb1455 mov ecx,dword ptr [count]

00fb1458 sub ecx,1

00fb145b mov dword ptr [count],ecx

00fb145e cmp dword ptr [ebp-0d0h],0

00fb1465 jle func_callback+63h (0fb1473h)

00fb1467 mov dword ptr [ebp-0d4h],1

00fb1471 jmp func_callback+6dh (0fb147dh)

00fb1473 mov dword ptr [ebp-0d4h],0

00fb147d cmp dword ptr [ebp-0d4h],0

00fb1484 je func_callback+93h (0fb14a3h)

00fb14a1 jmp func_callback+3ch (0fb144ch)

return 0;

00fb14a3 xor eax,eax }

可以看到與g_count1++語句對應的彙編指令是由加操作和賦值操作兩條指令完成的，在這兩條指令之間可能發生任務切換。如果執行緒1執行加操作指令後，當前執行緒被切換到執行緒2，執行緒2重新執行取g_count1原始值的操作，然後切換回到執行緒1時，eax暫存器又被放入了g_count1的原始值，執行緒1的加1操作等於沒有做。而作業系統提供的原子加1操作的api是一條指令，在指令執行期間不會發生任務切換，並且因為該指令有lock字首，在多處理器架構中也不會受到其他處理器的影響。

原子操作/多工/鎖的一些基本概念

1 任務切換是用中斷機制觸發的，想發生任務切換必須向處理器通知一次中斷的發生；

2 任務切換只能發生在指令邊緣，就是說兩條指令執行的間隙可能會發生任務切換，一條指令執行期間不會發生任務切換；

3 原子操作就是不可中斷的一系列操作，如果被中斷就會引起執行結果和預期不符；

4 單處理器架構下，一條指令的執行是原子操作；多處理器架構下，即使是一條指令執行期間也會受到其他處理器的干擾，導致指令執行結果錯誤。lock指令字首的作用就是獨佔匯流排，保證在多處理器架構下一條指令的執行是原子操作。該指令字首的實現必須是物理的，由處理器提供，軟體無法實現。作業系統基於lock指令字首封裝一系列原子操作的api供上層應用使用；

單處理器架構下原子操作的實現

1 關中斷

2 執行一系列指令，執行期間不會發生任務切換

3 開中斷

多處理器架構下的原子操作的實現

在需要原子操作的指令前附加lock指令字首，intel x86只有指定的幾個指令才可以附加lock指令字首。作業系統把這些附加了lock指令字首的指令包裝後，做成多種原子操作api**用使用。

lock指令字首的物理表現

當某條指令被加上lock指令字首時，該指令在執行前，會把處理器的#hlock引腳拉低，該引腳被拉低導致匯流排被鎖，其他處理器不能訪問匯流排，直到指令執行完畢，處理器的#hlock引腳恢復以後，匯流排的訪問權才被釋放。

原子操作的缺點

獨佔匯流排，會影響處理器的效率。但是原子操作是保證多工軟體的執行正確性的最小粒度，別無選擇。

x86平台原子操作API的實現原理

強健x86平台

X86平台和ARM平台

x86 平台kernel config新舊編譯方法

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