harmony 鸿蒙原子操作

2022-08-09
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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以下几种功能。

表1 原子操作接口说明

功能分类	接口名称	描述
读	LOS_AtomicRead	读取32bit原子数据
读	LOS_Atomic64Read	读取64bit原子数据
写	LOS_AtomicSet	设置32bit原子数据
写	LOS_Atomic64Set	设置64bit原子数据
加	LOS_AtomicAdd	对32bit原子数据做加法
加	LOS_Atomic64Add	对64bit原子数据做加法
加	LOS_AtomicInc	对32bit原子数据做加1
加	LOS_Atomic64Inc	对64bit原子数据做加1
加	LOS_AtomicIncRet	对32bit原子数据做加1并返回
加	LOS_Atomic64IncRet	对64bit原子数据做加1并返回
减	LOS_AtomicSub	对32bit原子数据做减法
减	LOS_Atomic64Sub	对64bit原子数据做减法
减	LOS_AtomicDec	对32bit原子数据做减1
减	LOS_Atomic64Dec	对64bit原子数据做减1
减	LOS_AtomicDecRet	对32bit原子数据做减1并返回
减	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
交换	LOS_AtomicXchg16bits	交换16bit内存数据
交换	LOS_AtomicXchg32bits	交换32bit内存数据
交换	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
先比较后交换	LOS_AtomicCmpXchg16bits	比较相同后交换16bit内存数据
先比较后交换	LOS_AtomicCmpXchg32bits	比较相同后交换32bit内存数据
先比较后交换	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：

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。
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;
}

结果验证