GCC 提供的原子操作

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;
}

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