Linux内核的同步机制（一）：原子操作

原子操作：UP和SMP的异同
原子操作是不可分割的，在执行完毕不会被任何其它任务或事件中断。在单处理器系统（UniProcessor）中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作"，因为中断只能发生于指令之间。这也是某些CPU指令系统中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于临界资源互斥的原因。但是，在对称多处理器（Symetric Multi-Processor）结构中就不同了，由于系统中有多个处理器在独立地运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。我们以decl（递减指令）为例，这是一个典型的"读－改－写"过程，涉及两次内存访问。设想在不同CPU运行的两个进程都在递减某个计数值，可能发生的情况是：
1． CPU A（上的进程，以下同）从内存单元把当前计数值（2）装载进它的寄存器中；
2． CPU B从内存单元把当前计数值（2）装载进它的寄存器中。
3． CPU A在它的寄存器中将计数值递减为1；
4． CPU B在它的寄存器中将计数值递减为1；
5． CPU A把修改后的计数值（1）写回内存单元。
6． CPU B把修改后的计数值（1）写回内存单元。
我们看到，内存里的计数值应该是0，然而它却是1。如果该计数值是一个共享资源的引用计数，每个进程都在递减后把该值与0进行比较，从而确定是否需要释放该共享资源。这时，两个进程都去掉了对该共享资源的引用，但没有一个进程能够释放它--两个进程都推断出：计数值是1，共享资源仍然在被使用。
原子性不可能由软件单独保证--必须需要硬件的支持，因此是和架构相关的。在x86平台上，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。
Linux内核中的原子操作
Linux 2.4.21中，原子类型的定义和原子操作API都放在内核源码树的include/asm/atomic.h文件中，大部分使用汇编语言实现，因为c语言并不能实现这样的操作。
在x86的原子操作实现代码中，定义了LOCK宏，这个宏可以放在随后的内联汇编指令之前。如果是SMP，LOCK宏被扩展为lock指令；否则被定义为空--单CPU无需防止其它CPU的干扰，锁内存总线完全是在浪费时间。
#ifdef CONFIG_SMP
#define LOCK "lock ; "
#else
#define LOCK ""
#e