带你玩转Linux内核并发与同步- -原子操作和内存屏障（一篇搞定）
并发访问：多个内核路径同时访问和操作数据，就有可能发生相互覆盖共享数据的情况，造成被访问数据的不一致。
临界区：访问和操作共享数据的代码段。
并发源：访问临界区的执行线程或代码路径。
在内核中产生并发访问的主要有如下4种：
中断和异常：中断发生后，中断处理程序和被中断的进程之间有可能产生并发访问。中断<==>被中断的线程
软中断和tasklet：软中断或者tasklet随时可能会被调度执行，从而打断当前正在执行的进程上下文。软中断<==>进程上下文
内核抢占：调度器支持可抢占特性，会导致进程和进程之间的并发访问。进程<==>进程
多处理器并发执行：多处理器上可以同时运行多个进程。A处理器进程<==>B处理器进程
对于单处理器系统，主要有一下并发源：(硬中断 > 软中断和tasklet > 进程上下文)
中断处理程序可以打断软中断、tasklet和进程上下文。
软中断和tasklet之间不会并发，但是可以打断进程上下文的执行。
在支持抢占的内核中，进程上下文之间会并发。
在不支持抢占的内核中，进程上下文之间不会产生并发。
对于SMP系统，有如下并发情况：
同一类型的中断处理程序不会并发，但是不同类型的中断有可能送达到不同的CPU上，因此不同类型的中断处理程序可能会存在并发执行。
同一类型的软中断会在不同的CPU上并发执行。
同一类型的tasklet是串行执行的，不会在多个CPU上并发。
不同CPU上的进程上下文会并发。
并发保护的是资源或者数据，而不是保护代码；包括静态局部变量、全局变量、共享的数据结构、缓存、链表、红黑树等各种形式的资源数据。
原子操作
一个原子操作例子思考
原子操作API atomic_t数据结构表示原子变量，它的实现依赖于不同的体系结构。
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Linux提供了很多操作原子变量的API。以arch/arm/include/asm/atomic.h为例。
上面虽然有多种API但是基础的只有atomic_add()/atomic_sub()/atomic_add_return()/atomic_sub_return()四种。
他们通过ATOMIC_OPS定义，产生atomic_add()/atomic_sub()/atomic_add_return()/atomic_sub_return()四个函数。
ARM使用ldrex和strex指令来保证add操作的原子性，指令后缀ex表示exclusive。
ldrex Rt, [Rn] - 把Rn寄存器只想内存地址的内容加载到Rt寄存器中。
strex Rd, Rt, [Rn] - 把Rt寄存器的值保存到Rn寄存器指向的内存地址中，Rd保存更新的结果，0表示更新成功，1表示失败。
GCC嵌入汇编的格式如下：
ARM32如何保证原子性
内存屏障
内存屏障3条指令DMB/DSB/ISB
ARM体系架构中常见的3条内存屏障指令：
数据内存屏障DMB：Data Memory Barrier，它可确保会先检测到程序中位于DMB指令前的所有显示内存访问指令，然后再检测到程序中位于DMB指令后的显式内存访问指令。它不影响其它指令在处理器上的执行顺序。 数据同步屏障DSB：Data Synchronization Barrier，是一种特殊的内存屏障，只有当此指令执行完毕后，才会执行程序中位于此指令后的指令。
当满足以下条件时，此指令才会完成：
位于此指令前的所有显示内存访问均完成。
位于此指令前的所有缓存、跳转预测和TLB维护操作全部完成。
指令同步屏障ISB：Instruction Synchronization Barrier，可刷新处理器中的管道，因此可确保在ISB指令完成后，才从高速缓存或内存中提取位于该指令后的其他所有指令。
这可确保提取时间晚于ISB指令的指令，能够检测到ISB指令执行前就已经执行的上下文更改操作的执行效果。
内存屏障API
内存屏障例子
一个网卡驱动中发送数据包
网络数据包写入buffer后交给DMA负责发送，wmb()保证在DMA传输之前，数据被完全写入到buffer中。
睡眠唤醒API中的内存屏障
通常一个进程因为等待某系时间需要睡眠，调用wait_event()。
在wait_event()中有prepare_to_wait_event()调用了set_current_state()。
唤醒者通常调用__set_task_cpu()来设置当前进程对应的调度实体
