Linux中的原子操作函数：快速高效地控制共享资源 (linux 原子操作函数)

在多线程编程中，共享资源的访问往往会引发竞争条件，而竞争条件会导致数据不一致或程序崩溃等问题。为了避免这种情况的发生，需要使用原子操作函数来控制和同步对共享资源的访问。本文将为您介绍Linux中的原子操作函数以及如何使用这些函数来保护共享资源。

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1. 什么是原子操作？

原子操作是指在多线程编程中，一个操作要么完全执行，要么完全不执行，不存在中途被打断或修改的情况。在高并发环境下，原子操作可以避免竞争条件的发生，确保数据的一致性和程序的正确性。

在Linux中，原子操作是通过内联汇编语句来实现的。内联汇编语句可以直接嵌入到C/C++代码中，使得代码执行更快，更高效。

2. Linux中的原子操作函数

Linux提供了一系列的原子操作函数来控制共享资源的访问，包括：

（1）atomic_t类型和atomic_set()/atomic_read()函数

atomic_t类型是Linux中表示原子变量的数据类型。它是一个32位的有符号整数，可以使用atomic_set()和atomic_read()函数来设置和读取它的值。atomic_set()函数可以将atomic_t类型变量设置为指定的值，而atomic_read()函数可以读取atomic_t类型变量的当前值。

（2）atomic_add()/atomic_sub()函数

atomic_add()和atomic_sub()函数可以分别对atomic_t类型变量进行加法和减法操作。它们可以在保持原子性的同时，改变atomic_t类型变量的值。

（3）atomic_inc()/atomic_dec()函数

atomic_inc()和atomic_dec()函数可以分别实现对atomic_t类型变量的加1和减1操作。它们可以在保持原子性的同时，改变atomic_t类型变量的值。这些函数通常用于实现计数器或引用计数器。

（4）atomic_add_return()/atomic_sub_return()函数

atomic_add_return()和atomic_sub_return()函数可以分别实现对atomic_t类型变量的加法和减法操作，并返回操作后的新值。它们可以在保持原子性的同时，改变atomic_t类型变量的值，并且返回操作后的新值。

（5）atomic_inc_return()/atomic_dec_return()函数

atomic_inc_return()和atomic_dec_return()函数可以分别实现对atomic_t类型变量的加1和减1操作，并返回操作后的新值。它们可以在保持原子性的同时，改变atomic_t类型变量的值，并且返回操作后的新值。这些函数通常用于实现计数器或引用计数器。

（6）atomic_cmpxchg()函数

atomic_cmpxchg()函数可以实现原子级比较和交换操作。它将比较一个指定的atomic_t类型变量和一个期望的值，如果两个值相等，则将atomic_t类型变量设置为一个新值，并返回原来的值。它可以有效地解决竞争条件问题，确保数据的一致性和程序的正确性。

3. 如何使用原子操作函数？

在使用原子操作函数之前，我们需要了解一些基本原则和使用方式：

（1）尽量减少共享资源的使用，避免多个线程同时访问同一共享资源。如果必须使用共享资源，需要使用原子操作函数来控制访问。

（2）使用atomic_t类型来定义共享资源，避免使用普通的数据类型。

（3）为了避免不必要的竞争条件，应该尽量将原子操作函数放在代码的关键部分或者最小代码范围内。

（4）要保证原子操作的正确性和可靠性，需要使用适当的同步机制来协调多个线程之间的操作。例如，可以使用互斥锁或信号量来解决并发访问共享资源的问题。

下面是一个例子，展示了如何使用atomic_t类型和原子操作函数来控制对共享资源的访问：

“`

#include

#include

#include

MODULE_LICENSE(“Dual BSD/GPL”);

static atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0);

static int __init atomic_example_init(void)

{

printk(KERN_INFO “Atomic Example Init\n”);

atomic_inc(&counter);

printk(KERN_INFO “Counter Value: %d\n”, atomic_read(&counter));

return 0;

}

static void __exit atomic_example_exit(void)

{

printk(KERN_INFO “Atomic Example Exit\n”);

}

module_init(atomic_example_init);

module_exit(atomic_example_exit);

“`

在这个例子中，我们定义了一个atomic_t类型的变量counter，并使用ATOMIC_INIT宏将其初始化为0。在模块加载时，我们使用atomic_inc()函数对counter进行加1操作，并使用atomic_read()函数打印counter的值。在模块卸载时，我们打印一条退出消息。

4.

相关问题拓展阅读：

• sig_atomic_t的Linux内核中的原子操作 atomic_t
• Linux 多线程编程(二)

sig_atomic_t的Linux内核中的原子操作 atomic_t

原型：

typedef struct {

volatile int counter;

} atomic_t;

1 声明，定义并初始化原子变量

atomic_t isopen = ATOMIC_INIT(1);

2 使用方法隐汪

原子变量自减1，并测试是否灶蠢仔为0，如果为0，返回true，否则返回false

if( !atomic_dec_and_test(&isopen) ) {

atomic_inc(&isopen); //加1操作

return -EBUSY;

}

3 释档租放

减1操作

atomic_dec(&isopen);

Linux 多线程编程(二)

三种专门用于线程同步的机制:POSIX信号量,互斥量和条件变量.

在Linux上信号量API有两组,一组是System V IPC信号量,即PV操作,另外就是POSIX信号量,POSIX信号量的名字都是以sem_开头.

phshared参数指定信号量的类型,若其值为0,就表示这个信号量是当前进程的局部信号量,否则该信号量可以在多个进程之间共享.value值指定信号量的初始值,一般与下面的sem_wait函数相对应.

其中比较重要的函数sem_wait函数会以原子操作的方式将信号量的值减一,如果信号量的值为零,则sem_wait将会阻塞,信号量的值可以在sem_init函数中的value初始化;sem_trywait函数是sem_wait的非阻塞版本;sem_post函数将以原子的操作对信号量加一,当信号量的值大于0时,其他正在调用sem_wait等待信号量的线程将被唤醒.

这些函数成功时返回0,失败则返回-1并设置errno.

生产者消费者模型:

生产者对应一个信号量:sem_t producer;

消费者对应一个信号量:sem_t customer;

sem_init(&producer,2)—-生产者拥有资源,可以工闷乱作;

sem_init(&customer,0)—-消费者没有资源,阻塞;

在访问公共资源前对互滚耐斥量设置（加锁），确保同一时间只有一个线程访问数据，在访问完成后再释放（解锁）互斥量.

互斥锁的运行方式:串行访问共享资源;

信号量的运行方式:并行访问共享资源;

互斥量用pthread_mutex_t数据类型表示，在使用互斥量之前，必须使用pthread_mutex_init函数对它进行初始化，注意，使用完毕后需调用pthread_mutex_destroy.

pthread_mutex_init用于初始化互斥锁，mutexattr用于指定互斥锁的属性，若为NULL，则表示默认属性。除了用这个函数初始化互斥所外，还可以用如下方式初始化：pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER。

pthread_mutex_destroy用于销毁互斥锁，以释放占用的内核资源，销毁一个已经加锁的互斥锁将导致不可预期的后果。

pthread_mutex_lock以原子操作给一个互斥锁加锁。如果目标互斥锁已经被加锁，则pthread_mutex_lock则被阻塞，直到该互斥锁占有者把它给解锁.

pthread_mutex_trylock和pthread_mutex_lock类似，不过它始终立即返回，而不论作的互斥锁是否加锁，是pthread_mutex_lock的非阻塞版本.当目标互斥锁未被加锁时，pthread_mutex_trylock进行加锁操作；否则将返回EBUSY错误码。注意：这里讨论的pthread_mutex_lock和pthread_mutex_trylock是针对普通锁而言的，对于其他类型的锁，这两个加锁函数会有不同的行为.

pthread_mutex_unlock以原子操作方式给一个互斥锁进行解锁操作。如果此时有其他线程正在等待这个互斥锁，则这些线程中的一个将获得它.

三个打印机轮流打印:

输出结蚂备档果:

如果说互斥锁是用于同步线程对共享数据的访问的话,那么条件变量就是用于在线程之间同步共享数据的值.条件变量提供了一种线程之间通信的机制:当某个共享数据达到某个值时,唤醒等待这个共享数据的线程.

条件变量会在条件不满足的情况下阻塞线程.且条件变量和互斥量一起使用，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生.

其中pthread_cond_broadcast函数以广播的形式唤醒所有等待目标条件变量的线程,pthread_cond_signal函数用于唤醒一个等待目标条件变量线程.但有时候我们可能需要唤醒一个固定的线程,可以通过间接的方法实现:定义一个能够唯一标识目标线程的全局变量,在唤醒等待条件变量的线程前先设置该变量为目标线程,然后采用广播的方式唤醒所有等待的线程,这些线程被唤醒之后都检查该变量以判断是否是自己.

采用条件变量+互斥锁实现生产者消费者模型:

运行结果:

阻塞队列+生产者消费者

运行结果:

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