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原子操作接口更新时间: 2025-06-21 10:46:37
一、概述
在 openvela 的 prebuilts 工具链中，已支持内联原子操作接口，这些接口定义在 stdatomic.h 头文件中。
1、文件路径
以 ARM 架构为例，stdatomic.h 文件路径如下：
# 以 arm 架构为例
prebuilts/gcc/linux/arm/arm-none-eabi/include/stdatomic.h2、原子操作的实现方式
-
硬件支持：如果编译器支持目标 CPU 架构的原子操作指令，则原子操作将在硬件层面保证原子性。
-
软件实现：如果编译器不支持原子操作指令，可以使用通用原子操作接口。
相关配置文件路径：
3、配置选项说明
以下是 CONFIG_LIBC_ARCH_ATOMIC 的配置选项：
config LIBC_ARCH_ATOMIC
bool "arch_atomic"
default n
---help---
If this configuration is selected and <include/nuttx/atomic.h> is
included, arch_atomic.c will be linked instead of built-in
atomic function.在 Make.defs 文件中，arch_atomic.c 的编译规则如下：
CSRCS += arch_atomic.c二、包含头文件
在代码中使用原子操作时，需要包含以下头文件：
#include <stdatomic.h>三、原子变量类型
原子变量支持以下类型，后续文档中统一使用 atomic_type 表示：
atomic_bool
atomic_char
atomic_schar
atomic_uchar
atomic_short
atomic_ushort
atomic_int
atomic_uint
atomic_long
atomic_ulong
atomic_llong
atomic_ullong
atomic_char16_t
atomic_wchar_t
atomic_int_least8_t
atomic_uint_least8_t
atomic_int_least16_t
atomic_uint_least16_t
atomic_int_least32_t
atomic_uint_least32_t
atomic_int_least64_t
atomic_uint_least64_t
atomic_int_fast8_t
atomic_uint_fast8_t
atomic_int_fast16_t
atomic_uint_fast16_t
atomic_int_fast32_t
atomic_uint_fast32_t
atomic_int_fast64_t
atomic_uint_fast64_t
atomic_intptr_t
atomic_uintptr_t
atomic_size_t
atomic_ptrdiff_t
atomic_intmax_t
atomic_uintmax_t四、原子操作接口
原子操作接口提供了一组线程安全的操作，用于对原子变量进行初始化、读取、修改和比较等操作。以下是接口的详细说明。
1、整型原子操作
以下是整型原子操作的常用接口及其功能说明：
//对原子变量初始化
ATOMIC_VAR_INIT(value)
void atomic_init(obj, value)
//对原子变量进行设置
void atomic_store(atomic_type *object, int desired);
//读取原子变量并返回
atomic_type atomic_load(atomic_type *object);
//对原子变量进行减法操作，并返回减法操作完的旧值
atomic_type atomic_fetch_sub(atomic_type *object, atomic_type desired);
//对原子变量进行加法操作，并返回加法操作完的旧值
atomic_type atomic_fetch_add(atomic_type *object, atomic_type desired);
//对原子变量执行交换操作,并返回旧值
atomic_type atomic_exchange(atomic_type *object, atomic_type desired);
//对原子变量执行比较和交换操作，比较原子变量和一个期望值，如果相等，则将新值存储到原子变量中，并返回true,否则直接返回false。
bool atomic_compare_exchange_weak(atomic_type *object, int *expected, int desired);
//同样执行比较和交换操作，不同于weak函数的是该函数会强制执行自旋锁等待，直到比较和交换成功或达到一定的重试次数
bool atomic_compare_exchange_strong(atomic_type *object, int *expected, int desired);2、位原子操作
以下是位操作相关的原子操作接口及其功能说明：
//按位异或操作，将指定值与原子变量的值进行按位异或运算，并返回执行xor操作前的旧值
atomic_type atomic_fetch_xor(atomic_type *object, atomic_type desired);
//按位或操作，将指定值与原子变量进行按位或运算，并返回执行or操作前的旧值
atomic_type atomic_fetch_or(atomic_type *object, atomic_type desired);
//按位与操作，将指定值与原子变量进行按位与运算，并返回执行and操作前的旧值
atomic_type atomic_fetch_and(atomic_type *object, atomic_type desired);五、Vela 内部实现
为避免不同 toolchain 对于原子接口的支持能力不同，因此在 Vela 内提供了一套系统的实现，当 Toolchain 不支持 Atomic 时，将通过 Vela Atomic 的实现来作为替代。
完整内容可参考文件 arch_atomic.c
Vela 内部的实现方式主要是通过 spinlock 的操作来模拟原子的操作，它将不同的操作如 load / store / exchange / CAS 等行为拆分成不同功能的宏实现，例如 atomic_store , 它的函数原型如下
#define STORE(fn, n, type) \
\
void weak_function CONCATENATE(fn, n) (FAR volatile void *ptr, \
type value, int memorder) \
{ \
irqstate_t irqstate = spin_lock_irqsave(NULL); \
\
*(FAR type *)ptr = value; \
\
spin_unlock_irqrestore(NULL, irqstate); \
}通过宏声明的方式可以声明出不同 size 类型的 atomic_store 原型，即
/****************************************************************************
* Name: __atomic_store_1
****************************************************************************/
STORE(1, uint8_t)
/****************************************************************************
* Name: __atomic_store_2
****************************************************************************/
STORE(2, uint16_t)
/****************************************************************************
* Name: __atomic_store_4
****************************************************************************/
STORE(4, uint32_t)
/****************************************************************************
* Name: __atomic_store_8
****************************************************************************/
STORE(8, uint64_t)接着通过判断传入变量的类型大小，来判断它的变量类型处理
#define atomic_store_n(obj, val, type) \
(sizeof(*(obj)) == 1 ? __atomic_store_1(obj, val, type) : \
sizeof(*(obj)) == 2 ? __atomic_store_2(obj, val, type) : \
sizeof(*(obj)) == 4 ? __atomic_store_4(obj, val, type) : \
__atomic_store_8(obj, val, type))
#define atomic_store(obj, val) atomic_store_n(obj, val, __ATOMIC_RELAXED)六、测试示例
以下示例代码展示了如何使用原子操作接口对不同类型的原子变量进行测试。代码通过一系列操作验证了原子操作的正确性。
1、示例代码
/****************************************************************************
* Included Files
****************************************************************************/
#include <nuttx/config.h>
#include <stdio.h>
#include <stdatomic.h>
/****************************************************************************
* Pre-processor Definitions
****************************************************************************/
#define ATOMIC_CHECK(value, expected) \
if ((value) != (expected)) \
{ \
printf("atomic test fail,line:%d\n",__LINE__); \
}
#define ATOMIC_TEST(type, init) \
{ \
atomic_##type object = init; \
atomic_##type expected = 2; \
\
atomic_##type old_value = atomic_fetch_add(&object, 1); \
ATOMIC_CHECK(old_value, 1); \
ATOMIC_CHECK(object, 2); \
\
atomic_store(&object, 1); \
ATOMIC_CHECK(object, 1); \
\
old_value = atomic_load(&object); \
ATOMIC_CHECK(object, 1) \
\
old_value = atomic_fetch_or(&object, 4); \
ATOMIC_CHECK(old_value, 1); \
ATOMIC_CHECK(object, 5); \
\
old_value = atomic_fetch_xor(&object, 7); \
ATOMIC_CHECK(old_value, 5); \
ATOMIC_CHECK(object, 2); \
\
old_value = atomic_fetch_and(&object, 3); \
ATOMIC_CHECK(old_value, 2); \
ATOMIC_CHECK(object, 2); \
\
old_value = atomic_exchange(&object, 5); \
ATOMIC_CHECK(old_value, 2); \
ATOMIC_CHECK(object, 5); \
\
old_value = atomic_fetch_sub(&object, 3); \
ATOMIC_CHECK(old_value, 5); \
ATOMIC_CHECK(object, 2); \
\
atomic_compare_exchange_weak(&object, &expected, 5); \
ATOMIC_CHECK(object, 5); \
\
expected = 5; \
atomic_compare_exchange_strong(&object, &expected, 2); \
ATOMIC_CHECK(object, 2); \
}
/****************************************************************************
* Public Functions
****************************************************************************/
/****************************************************************************
* atomic_main
****************************************************************************/
int main(int argc, FAR char *argv[])
{
ATOMIC_TEST(int, 1);
ATOMIC_TEST(uint, 1U);
ATOMIC_TEST(long, 1L);
ATOMIC_TEST(ulong, 1UL);
ATOMIC_TEST(short, 1);
ATOMIC_TEST(ushort, 1);
ATOMIC_TEST(char, 1);
printf("atomic test complete!\n");
return 0;
}2、测试结果
qemu-armv8a-ap> atomic
atomic test complete! // 测试通过测试结果表明，所有原子操作均正确执行，验证通过。
六、参考资料
文档内容是否有帮助？
有帮助
无帮助