Linux kernel 為整數資料提供兩種簡單的 atomic 操作，一種是 atomic counter，另一 是 atomic bitmask operation。

atomic counter

原則上 atomic counter 實現我們只需要一個 int 或是 long 的變數，透過 atomic instruction 來包裝成 RMW 的 API 即可。Kernel 中是透過 atomic_t 來宣告一個 atomic counter，它的定義如下，

typedef struct {
    int counter;
} atomic_t;

封裝在 data structure 中除了有較佳的擴展性外，可避免使用者沒有使用 atmoic API[18] 直接透過如下列的程式碼存取，因而被轉譯成一般的 load/store 而造成問題。

atomic_t my_atom;
my_atom++;

atomic counter API 提供下列幾種操作（atomic_{read, set}() 表示 atomic_read() 與 atomic_set() 兩組 API，其他雷同），

• ATOMIC_INIT()：變數初始化。

• atomic_{read, set}()：讀或寫通常可由單個 load/store 指令完成，所以通常只是 C 的實現版本。

    #define atomic_read(v)  ACCESS_ONCE((v)->counter)
    #define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))
  

• atomic_{add, sub, inc, dec}()：針對 counter 做加減動作， atomic_{inc, dec}() 為加/減 1 的版本。函數實現內部不含 memory barrier。需要確保 counter 與其他變 數存取順序時可自行在前後加上 smp_mb__{before/after}_atomic() 。

• atomic_{add, sub, inc, dec}_return()：加減 counter 值並回傳新值。函數實現內 部在 atomic operation 前後有包含 memory barrier。

• atomic_{inc, dec, sub}_and_test()/atomic_add_negtive()：atomic_xxx_and_test() 加減 counter 值並返回布林值檢查 counter 是否為 0。atomic_add_negtive() 則是 檢查新的 counter 是否為負數。函數內含 barrier。

• atomic_xchg()/atomic_cmpxchg()：atomic_xchg() 將 counter 值與參數交換並返 回舊值。atomic_cmpxchg() 將參數給的舊值與 counter 比對是否相同，相同的話才寫 入新值，返回原本 counter 中的舊值。函數內含 barrier。

• atomic_add_unless()/atomic_inc_not_zero()：條件判斷是否與某個參數的值相同來 決定是否加 counter 值。函數內含 barrier。

另外有 atomic_long_t 版本的型態，在此不另行介紹。

atomic bitmask operation

bitmask 大致上與 atomic counter 雷同，只是操作的動作從加減變成針對 bit 的邏輯運 算。bitmask 操作的變數是 unsigned long 的整數型態。大致分類如下：

• {set, clear, change}_bit()：如同 API 的名稱一樣，是用來改變 unsigned long 整數中某個 bit 的函數。所有的操作是 atomic 但是不含 memory barrier。

• test_and_{set, clear, change}_bit()：與上幾個函數類似，但是會返回 boolean 值表示修改前的 bit 值是否為 1。實作內含 memory barrier。

• test_and_set_bit_lock()/clear_bit_unlock()：atomic bitops 也可拿來實作 bit lock。之前使用上都是透過 test_and_set_bit() 與 smp_mb__before_clear_bit(); clear_bit(); 來處理 lock/unlock 的動作，[19] 的 commit 將這兩個操作抽出來當作 bit lock 的 API。由 commit 可看到有用到的地方大 致是 page lock、buffer lock、bit_spin_lock、tasklet locks。

• 最後，上述實作有 non-atomic 的版本（加上 __ prefix 的版本，如 __set_bit() ） 。這些 API 是在在適當 lock 保護的區域內使用。

Reference

1. Semantics and Behavior of Atomic and Bitmask Operations
2. kernelnewbie maillist: Re: atomic_t
3. lock bitops

註：

1. 本文同步刊載與 Taiwan Linux Kernel Hacker 的 hackpad
2. Taiwan Linux Kernel Hacker 為 Facebook 上研究 Linux Kernel 的社團