如何在Linux上执行x86，arm，GCC和icc上的原子操作？

Question

每个现代操作系统都提供一些原子操作：

• Windows具有Interlocked* API
• FreeBSD有<machine/atomic.h>
• Solaris有<atomic.h>
• Mac OS X有<libkern/OSAtomic.h>

对Linux有什么相似之处？

• 我需要它在大多数Linux支持的平台上工作，包括：x86，x86_64和arm 。
• 我需要它至少在GCC和英特尔编译器上工作。
• 我不需要使用像glib或qt这样的第三方库。
• 我需要它在C ++中工作（C不是必需的）

问题：

• 所有平台（ARM）都不支持GCC atomic __sync_* ，并且英特尔编译器不支持。
• AFAIK <asm/atomic.h>不应该在用户空间中使用，我根本没有成功使用它。 此外，我不确定它是否适用于英特尔编译器。

有什么建议？

我知道有很多相关的问题，但有些问题指向__sync* ，这对我来说是不可行的（ARM），有些指向asm/atomic.h 。

也许有一个内联汇编库可以为GCC执行此操作（ICC支持gcc汇编）？

编辑：

仅对添加操作有一个非常局部的解决方案（允许实现原子计数器但不能锁定需要CAS的自由结构）：

如果使用libstc++ （英特尔编译器使用libstdc++ ），则可以使用<ext/atomicity.h>或<bits/atomicity.h>中定义的__gnu_cxx::__exchange_and_add 。 取决于编译器版本。

但是，我仍然希望看到支持CAS的东西。

Answer 1

项目正在使用此：

http://packages.debian.org/source/sid/libatomic-ops

如果你想要简单的操作，比如CAS，你不能只使用内核以外的特定于arch的实现，并使用autotools / cmake在用户空间中进行arch检查吗？ 就许可而言，虽然内核是GPL，但我认为这些操作的内联汇编是由Intel / AMD提供的，而不是内核拥有许可证。 它们碰巧在内核源代码中易于访问。

Answer 2

C＆C ++的最新标准（自2011年起）现在指定了原子操作：

• C11： stdatomic.h
• C ++ 11： std::atomic

无论如何，您的平台或编译器可能不支持这些较新的标头和功能。

Answer 3

该死。 我打算建议GCC原语，然后你说它们是不受限制的。 :-)

在这种情况下，我会为你关心的每个架构/编译器组合做一个#ifdef并编写内联asm代码。 并且可能检查__GNUC__或一些类似的宏并使用GCC原语（如果它们可用），因为使用它们感觉更加正确。 :-)

你将会有很多重复，并且可能很难验证是否正确，但这似乎是许多项目做到这一点的方式，而且我已经有了很好的结果。

过去有些问题让我感到困惑：当使用GCC时，不要忘记“ asm volatile ”和"memory"和"cc"等的咒语。

Answer 4

__sync*肯定是（并且已经）得到英特尔编译器的支持，因为GCC从那里采用了这些内置版本。 阅读本页的第一段。 另请参阅“ 用于Linux *英特尔®Intrinsics参考的英特尔®C++编译器 ”，第198页。它是从2006年开始并准确描述了这些内置函数。

关于ARM支持，对于较旧的ARM CPU：它不能完全在用户空间中完成，但它可以在内核空间中完成（通过在操作期间禁用中断），我想我在某处读到了它已经支持了很长一段时间了。

根据这个日期为2011-10-08的PHP bug ， __sync_*只会失败

• PA-RISC与Linux以外的任何东西
• SPARCv7及更低版本
• ARM的GCC <4.3
• ARMv5及更低版本的Linux以外的任何东西
• MIPS1

因此，当GCC> 4.3（并且4.7是当前版本）时，您应该不会遇到ARMv6及更新版本的问题。 只要为Linux编译，你就不应该对ARMv5没有任何问题。

Answer 5

具有非侵入式许可证的Boost和其他框架已经提供了可移植的原子计数器 - 只要它们在目标平台上受支持。

第三方图书馆对我们有好处。 如果由于奇怪的原因，您的公司禁止您使用它们，您仍然可以查看它们如何继续（只要许可证允许您使用）来实现您正在寻找的内容。

Answer 6

我最近做了这样的事情，我遇到了和你一样的困难。 我的解决方案基本上如下：

• 尝试使用功能宏检测gcc内置
• 如果没有可用的话，就用其他架构实现像cmpxch和__asm__这样的东西（ARM比这复杂一点）。 只需为一个可能的大小做到这一点，例如sizeof(int) 。
• 使用inline函数在该一个或两个基元之上实现所有其他功能

Answer 7

这里有一个GCC补丁来支持ARM原子操作。 对英特尔没有帮助，但是你可以检查一下代码 - 最近的内核支持旧的ARM体系结构，而新的内核支持内置指令，所以你应该能够构建一些有效的东西。

http://gcc.gnu.org/ml/gcc-patches/2011-07/msg00050.html

Answer 8

在Debian / Ubuntu上推荐......

sudo apt-get install libatomic-ops-dev

示例： http ： //www.hpl.hp.com/research/linux/atomic_ops/example.php4

GCC和ICC兼容。

与Intel Thread Building Blocks（TBB）相比，使用atomic <T>，libatomic-ops-dev的速度提高了两倍！ （英特尔编译器）

在Ubuntu i7生产者 - 消费者线程上进行测试，在0.5秒内向环形缓冲区连接管道输入1000万英寸，而对于TBB则为1.2秒

并且易于使用，例如

挥发性AO_t头;

AO_fetch_and_add1（头）;

Answer 9

请参阅： kernel_user_helpers.txt或entry-arm.c并查找__kuser_cmpxchg 。 如其他ARM Linux版本的评论所示，

kuser_cmpxchg

Location:       0xffff0fc0

Reference prototype:

  int __kuser_cmpxchg(int32_t oldval, int32_t newval, volatile int32_t *ptr);

Input:

  r0 = oldval
  r1 = newval
  r2 = ptr
  lr = return address

Output:

  r0 = success code (zero or non-zero)
  C flag = set if r0 == 0, clear if r0 != 0

Clobbered registers:

  r3, ip, flags

Definition:

  Atomically store newval in *ptr only if *ptr is equal to oldval.
  Return zero if *ptr was changed or non-zero if no exchange happened.
  The C flag is also set if *ptr was changed to allow for assembly
  optimization in the calling code.

Usage example:

 typedef int (__kuser_cmpxchg_t)(int oldval, int newval, volatile int *ptr);
 #define __kuser_cmpxchg (*(__kuser_cmpxchg_t *)0xffff0fc0)

 int atomic_add(volatile int *ptr, int val)
 {
        int old, new;

        do {
                old = *ptr;
                new = old + val;
        } while(__kuser_cmpxchg(old, new, ptr));

        return new;
}

笔记：

• 此例程已根据需要包含内存屏障。
• 仅在__kuser_helper_version> = 2（来自内核版本2.6.12）时有效。

这适用于使用swp原语的Linux和ARMv3。 你必须有一个非常古老的ARM不支持这个。 只有数据中止或中断才会导致旋转失败，因此内核会监视此地址~0xffff0fc0，并在发生数据中止或中断时执行用户空间 PC修复。 支持ARMv5及更低版本的所有用户空间库都将使用此工具。

例如， QtConcurrent使用它。