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12组加减与或非

gcc从4.1.2提供了__sync_*系列的内置函数，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, ...)//先取再加
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)//先取再减
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)//先取=, 再进行"或|"运算
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)//先取,再进行"与&"运算
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)//先取,再进行"异或⊕"运算。 每一位比较，相同为0，不同为1
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)//先取,再进行"与非门"运算

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。

原子的比较和交换

//如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,在相等并写入的情况下返回true
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)

//如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,在相等并写入的情况下返回操作之前的值
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)

full barrier

__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())。

其他函数

//将value赋值给*ptr，返回赋值前的*ptr
type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)

//释放__sync_lock_test_and_set申请的锁，通常意味着将*ptr赋值为0
void __sync_lock_release (type *ptr, ...)

示例

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

static int count = 0;
static int count2 = 0;

void *
test_func(void *arg) {
    int i=0;
    for (i=0; i<20000; ++i) {
        __sync_fetch_and_add(&count,1);
        count2 = count2+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, %d\n", count, count2);
    return 0;
}

gcc -o test test.c -lpthread

执行3次输出结果，count结果一样，count2每次都不相同

400000, 148942
400000, 177672
400000, 113556

gcc提供原子操作