原子操作

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原子操作

基本概念

在支持多任务的操作系统中,修改一块内存区域的数据需要“读取-修改-写入”三个步骤。然而同一内存区域的数据可能同时被多个任务访问,如果在修改数据的过程中被其他任务打断,就会造成该操作的执行结果无法预知。

使用开关中断的方法固然可以保证多任务执行结果符合预期,但是显然这种方法会影响系统性能。

ARMv6架构引入了LDREX和STREX指令,以支持对共享存储器更缜密的非阻塞同步。由此实现的原子操作能确保对同一数据的“读取-修改-写入”操作在它的执行期间不会被打断,即操作的原子性。

运行机制

OpenHarmony系统通过对ARMv6架构中的LDREX和STREX进行封装,向用户提供了一套原子性的操作接口。

  • LDREX Rx, [Ry]

    读取内存中的值,并标记对该段内存的独占访问:

    • 读取寄存器Ry指向的4字节内存数据,保存到Rx寄存器中。
    • 对Ry指向的内存区域添加独占访问标记。
  • STREX Rf, Rx, [Ry]

    检查内存是否有独占访问标记,如果有则更新内存值并清空标记,否则不更新内存:

    • 有独占访问标记

      • 将寄存器Rx中的值更新到寄存器Ry指向的内存。
      • 标志寄存器Rf置为0。
    • 没有独占访问标记

      • 不更新内存。
      • 标志寄存器Rf置为1。
  • 判断标志寄存器

    • 标志寄存器为0时,退出循环,原子操作结束。
    • 标志寄存器为1时,继续循环,重新进行原子操作。

开发指导

接口说明

OpenHarmony LiteOS-A内核的原子操作模块提供下面几种功能,接口详细信息可以查看API参考。

表 1 原子操作接口说明

功能分类

接口名称

描述

LOS_AtomicRead

读取32bit原子数据

LOS_Atomic64Read

读取64bit原子数据

LOS_AtomicSet

设置32bit原子数据

LOS_Atomic64Set

设置64bit原子数据

LOS_AtomicAdd

对32bit原子数据做加法

LOS_Atomic64Add

对64bit原子数据做加法

LOS_AtomicInc

对32bit原子数据做加1

LOS_Atomic64Inc

对64bit原子数据做加1

LOS_AtomicIncRet

对32bit原子数据做加1并返回

LOS_Atomic64IncRet

对64bit原子数据做加1并返回

LOS_AtomicSub

对32bit原子数据做减法

LOS_Atomic64Sub

对64bit原子数据做减法

LOS_AtomicDec

对32bit原子数据做减1

LOS_Atomic64Dec

对64bit原子数据做减1

LOS_AtomicDecRet

对32bit原子数据做减1并返回

LOS_Atomic64DecRet

对64bit原子数据做减1并返回

交换

LOS_AtomicXchgByte

交换8bit内存数据

LOS_AtomicXchg16bits

交换16bit内存数据

LOS_AtomicXchg32bits

交换32bit内存数据

LOS_AtomicXchg64bits

交换64bit内存数据

先比较后交换

LOS_AtomicCmpXchgByte

比较相同后交换8bit内存数据

LOS_AtomicCmpXchg16bits

比较相同后交换16bit内存数据

LOS_AtomicCmpXchg32bits

比较相同后交换32bit内存数据

LOS_AtomicCmpXchg64bits

比较相同后交换64bit内存数据

开发流程

有多个任务对同一个内存数据进行加减或交换等操作时,使用原子操作保证结果的可预知性。

说明: 原子操作接口仅支持整型数据。

编程实例

实例描述

调用原子操作相关接口,观察结果:

  1. 创建两个任务

    • 任务一用LOS_AtomicInc对全局变量加100次。
    • 任务二用LOS_AtomicDec对全局变量减100次。
  2. 子任务结束后在主任务中打印全局变量的值。

示例代码

示例代码如下:

#include "los_hwi.h"
#include "los_atomic.h"
#include "los_task.h"

UINT32 g_testTaskId01;
UINT32 g_testTaskId02;
Atomic g_sum;
Atomic g_count;

UINT32 Example_Atomic01(VOID)
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < 100; ++i) {
        LOS_AtomicInc(&g_sum);
    }

    LOS_AtomicInc(&g_count);
    return LOS_OK;
}

UINT32 Example_Atomic02(VOID)
{
    int i = 0;
    for(i = 0; i < 100; ++i) {
        LOS_AtomicDec(&g_sum);
    }

    LOS_AtomicInc(&g_count);
    return LOS_OK;
}

UINT32 Example_AtomicTaskEntry(VOID)
{
    TSK_INIT_PARAM_S stTask1={0};
    stTask1.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic01;
    stTask1.pcName       = "TestAtomicTsk1";
    stTask1.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask1.usTaskPrio   = 4;
    stTask1.uwResved     = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;

    TSK_INIT_PARAM_S stTask2={0};
    stTask2.pfnTaskEntry = (TSK_ENTRY_FUNC)Example_Atomic02;
    stTask2.pcName       = "TestAtomicTsk2";
    stTask2.uwStackSize  = LOSCFG_BASE_CORE_TSK_DEFAULT_STACK_SIZE;
    stTask2.usTaskPrio   = 4;
    stTask2.uwResved     = LOS_TASK_STATUS_DETACHED;

    LOS_TaskLock();
    LOS_TaskCreate(&g_testTaskId01, &stTask1);
    LOS_TaskCreate(&g_testTaskId02, &stTask2);
    LOS_TaskUnlock();

    while(LOS_AtomicRead(&g_count) != 2);
    PRINTK("g_sum = %d\n", g_sum);

    return LOS_OK;
}
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结果验证

g_sum = 0
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