帶你玩轉(zhuǎn)Linux內(nèi)核并發(fā)與同步- -原子操作和內(nèi)存屏障（一篇搞定）
并發(fā)訪問：多個(gè)內(nèi)核路徑同時(shí)訪問和操作數(shù)據(jù)，就有可能發(fā)生相互覆蓋共享數(shù)據(jù)的情況，造成被訪問數(shù)據(jù)的不一致。
臨界區(qū)：訪問和操作共享數(shù)據(jù)的代碼段。
并發(fā)源：訪問臨界區(qū)的執(zhí)行線程或代碼路徑。
在內(nèi)核中產(chǎn)生并發(fā)訪問的主要有如下4種：
中斷和異常：中斷發(fā)生后，中斷處理程序和被中斷的進(jìn)程之間有可能產(chǎn)生并發(fā)訪問。中斷<==>被中斷的線程
軟中斷和tasklet：軟中斷或者tasklet隨時(shí)可能會(huì)被調(diào)度執(zhí)行，從而打斷當(dāng)前正在執(zhí)行的進(jìn)程上下文。軟中斷<==>進(jìn)程上下文
內(nèi)核搶占：調(diào)度器支持可搶占特性，會(huì)導(dǎo)致進(jìn)程和進(jìn)程之間的并發(fā)訪問。進(jìn)程<==>進(jìn)程
多處理器并發(fā)執(zhí)行：多處理器上可以同時(shí)運(yùn)行多個(gè)進(jìn)程。A處理器進(jìn)程<==>B處理器進(jìn)程
對(duì)于單處理器系統(tǒng)，主要有一下并發(fā)源：(硬中斷 > 軟中斷和tasklet > 進(jìn)程上下文)
中斷處理程序可以打斷軟中斷、tasklet和進(jìn)程上下文。
軟中斷和tasklet之間不會(huì)并發(fā)，但是可以打斷進(jìn)程上下文的執(zhí)行。
在支持搶占的內(nèi)核中，進(jìn)程上下文之間會(huì)并發(fā)。
在不支持搶占的內(nèi)核中，進(jìn)程上下文之間不會(huì)產(chǎn)生并發(fā)。
對(duì)于SMP系統(tǒng)，有如下并發(fā)情況：
同一類型的中斷處理程序不會(huì)并發(fā)，但是不同類型的中斷有可能送達(dá)到不同的CPU上，因此不同類型的中斷處理程序可能會(huì)存在并發(fā)執(zhí)行。
同一類型的軟中斷會(huì)在不同的CPU上并發(fā)執(zhí)行。
同一類型的tasklet是串行執(zhí)行的，不會(huì)在多個(gè)CPU上并發(fā)。
不同CPU上的進(jìn)程上下文會(huì)并發(fā)。
并發(fā)保護(hù)的是資源或者數(shù)據(jù)，而不是保護(hù)代碼；包括靜態(tài)局部變量、全局變量、共享的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、緩存、鏈表、紅黑樹等各種形式的資源數(shù)據(jù)。
原子操作
一個(gè)原子操作例子思考
原子操作API atomic_t數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)表示原子變量，它的實(shí)現(xiàn)依賴于不同的體系結(jié)構(gòu)。
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Linux提供了很多操作原子變量的API。以arch/arm/include/asm/atomic.h為例。
上面雖然有多種API但是基礎(chǔ)的只有atomic_add()/atomic_sub()/atomic_add_return()/atomic_sub_return()四種。
他們通過ATOMIC_OPS定義，產(chǎn)生atomic_add()/atomic_sub()/atomic_add_return()/atomic_sub_return()四個(gè)函數(shù)。
ARM使用ldrex和strex指令來保證add操作的原子性，指令后綴ex表示exclusive。
ldrex Rt, [Rn] - 把Rn寄存器只想內(nèi)存地址的內(nèi)容加載到Rt寄存器中。
strex Rd, Rt, [Rn] - 把Rt寄存器的值保存到Rn寄存器指向的內(nèi)存地址中，Rd保存更新的結(jié)果，0表示更新成功，1表示失敗。
GCC嵌入?yún)R編的格式如下：
ARM32如何保證原子性
內(nèi)存屏障
內(nèi)存屏障3條指令DMB/DSB/ISB
ARM體系架構(gòu)中常見的3條內(nèi)存屏障指令：
數(shù)據(jù)內(nèi)存屏障DMB：Data Memory Barrier，它可確保會(huì)先檢測(cè)到程序中位于DMB指令前的所有顯示內(nèi)存訪問指令，然后再檢測(cè)到程序中位于DMB指令后的顯式內(nèi)存訪問指令。它不影響其它指令在處理器上的執(zhí)行順序。 數(shù)據(jù)同步屏障DSB：Data Synchronization Barrier，是一種特殊的內(nèi)存屏障，只有當(dāng)此指令執(zhí)行完畢后，才會(huì)執(zhí)行程序中位于此指令后的指令。
當(dāng)滿足以下條件時(shí)，此指令才會(huì)完成：
位于此指令前的所有顯示內(nèi)存訪問均完成。
位于此指令前的所有緩存、跳轉(zhuǎn)預(yù)測(cè)和TLB維護(hù)操作全部完成。
指令同步屏障ISB：Instruction Synchronization Barrier，可刷新處理器中的管道，因此可確保在ISB指令完成后，才從高速緩存或內(nèi)存中提取位于該指令后的其他所有指令。
這可確保提取時(shí)間晚于ISB指令的指令，能夠檢測(cè)到ISB指令執(zhí)行前就已經(jīng)執(zhí)行的上下文更改操作的執(zhí)行效果。
內(nèi)存屏障API
內(nèi)存屏障例子
一個(gè)網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)中發(fā)送數(shù)據(jù)包
網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包寫入buffer后交給DMA負(fù)責(zé)發(fā)送，wmb()保證在DMA傳輸之前，數(shù)據(jù)被完全寫入到buffer中。
睡眠喚醒API中的內(nèi)存屏障
通常一個(gè)進(jìn)程因?yàn)榈却诚禃r(shí)間需要睡眠，調(diào)用wait_event()。
在wait_event()中有prepare_to_wait_event()調(diào)用了set_current_state()。
喚醒者通常調(diào)用__set_task_cpu()來設(shè)置當(dāng)前進(jìn)程對(duì)應(yīng)的調(diào)度實(shí)體
