gcc 内建的原子操作

http://blog.csdn.net/maray/article/details/8929134

http://www.cnblogs.com/FrankTan/archive/2010/12/11/1903377.html

 

无锁队列的实现就是依赖于该特性

http://coolshell.cn/articles/8239.html

 

You don’t want to mess around with assembly language, especially since you want your code to run on both x86 and ARM. Therefore, compilers let you access these instructions with built-in functions. On gcc, example functions are __sync_fetch_and_add() and __sync_bool_compare_and_swap(). They work just as well on x86 as ARM. Microsoft has similar intrinsics for their compilers.

 

__sync_bool_compare_and_swap

Purpose

This function compares the value of __compVal with the value of the variable that __p points to. If they are equal, the value of __exchVal is stored in the address that is specified by __p; otherwise, no operation is performed.

A full memory barrier is created when this function is invoked.

Prototype

bool __sync_bool_compare_and_swap (T* __p, T __compVal, T __exchVal, ...);

where T is one of the data types listed in Supported data types.

Parameters

__p

The pointer to a variable whose value is to be compared with.

__compVal

The value to be compared with the value of the variable that __p points to.

__exchVal

The value to be stored in the address that __p points to.

Return value

If the value of __compVal and the value of the variable that __p points to are equal, the function returns true; otherwise, it returns false.

 

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gcc从4.1.2提供了__sync_*系列的built-in函数，用于提供加减和逻辑运算的原子操作。

其声明如下：

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)
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, ...)


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, ...)

 

这两组函数的区别在于第一组返回更新前的值，第二组返回更新后的值。

type可以是1,2,4或8字节长度的int类型，即：

int8_t / uint8_t
int16_t / uint16_t
int32_t / uint32_t
int64_t / uint64_t

 

后面的可扩展参数(...)用来指出哪些变量需要memory barrier,因为目前gcc实现的是full barrier（类似于linux kernel 中的mb(),表示这个操作之前的所有内存操作不会被重排序到这个操作之后）,所以可以略掉这个参数。

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

这两个函数提供原子的比较和交换，如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,
第一个函数在相等并写入的情况下返回true.
第二个函数在返回操作之前的值。

__sync_synchronize (...)

发出一个full barrier.

关于memory barrier,cpu会对我们的指令进行排序，一般说来会提高程序的效率，但有时候可能造成我们不希望得到的结果，举一个例子，比如我们有一个硬件设备，它有4个寄存器，当你发出一个操作指令的时候，一个寄存器存的是你的操作指令（比如READ），两个寄存器存的是参数（比如是地址和size），最后一个寄存器是控制寄存器，在所有的参数都设置好之后向其发出指令，设备开始读取参数，执行命令，程序可能如下：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    write1(dev.register_control,GO);

如果最后一条write1被换到了前几条语句之前，那么肯定不是我们所期望的，这时候我们可以在最后一条语句之前加入一个memory barrier,强制cpu执行完前面的写入以后再执行最后一条：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    __sync_synchronize();
    write1(dev.register_control,GO);

memory barrier有几种类型：
    acquire barrier : 不允许将barrier之后的内存读取指令移到barrier之前（linux kernel中的wmb()）。
    release barrier : 不允许将barrier之前的内存读取指令移到barrier之后 (linux kernel中的rmb())。
    full barrier    : 以上两种barrier的合集(linux kernel中的mb())。


还有两个函数：

type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)
   将*ptr设为value并返回*ptr操作之前的值。

void __sync_lock_release (type *ptr, ...)
     将*ptr置0


示例程序：

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <stdlib.h>

static int count = 0;


void *test_func(void *arg)
{
        int i=0;
        for(i=0;i<20000;++i){
                __sync_fetch_and_add(&count,1);
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
        pthread_t id[20];
        int i = 0;

        for(i=0;i<20;++i){
                pthread_create(&id[i],NULL,test_func,NULL);
        }

        for(i=0;i<20;++i){
                pthread_join(id[i],NULL);
        }

        printf("%d\n",count);
        return 0;
}

参考：

 

 

1. http://refspecs.freestandards.org/elf/IA64-SysV-psABI.pdf   section 7.4

2. http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.2/gcc/Atomic-Builtins.html#Atomic-Builtins

 

 

 

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http://www.jianshu.com/p/188847de9333

利用原子操作实现的互斥锁

 

#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>
#include <sys/select.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/types.h>

int val = 0;
int mu = 0;

#define ngx_atomic_cmp_set(lock, old, set)                                    \
    __sync_bool_compare_and_swap(lock, old, set)

#define ngx_atomic_fetch_add(value, add)                                      \
    __sync_fetch_and_add(value, add)

#define ngx_trylock(lock)  (*(lock) == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, 1))
#define ngx_unlock(lock)    *(lock) = 0

void* fun(void *p)
{
    int i = 0;
    int count = *(int*)p;
    //printf("thread count:%d\n", count);

    while (i < count) {
        if (!ngx_trylock(&mu)) {
            continue;            //有个问题，会浪费CPU
        }
        val += 1;
        ngx_unlock(&mu);
        ++i;
    }
    //printf("fun1: %d\n", val);
}

int main()
{
    int totalCount = 1000000;
    int thread_count = 4;
    int threadCount = totalCount / thread_count;

    pthread_t threads[thread_count];
    int i=0;
    for(; i<thread_count; ++i)
    {
        pthread_create(&threads[i], NULL, fun, &threadCount);
    }

    i=0;
    for(; i<thread_count; ++i)
    {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }

    printf("after thread, val:%d\n", val);

    return 0;
}

能保证所有线程执行完成后输出正确的totalCount值