[交流]漫谈C变量——天然原子性是怎么回事?
【写在前面的话】
在20世纪初叶,人们曾经一度认为原子是物质的最小组成单位,原子不可再分。虽然很快人们就发现这是
一个谬误——原子不仅可以再分,由质子、中字、电子组成,事实上这些微观粒子仍然是可以继续分割的
——但计算机科学借用了“原子不可再分”的说法,提出了操作原子性(Atomicity)的概念,即:
对一个由多个步骤构成的操作来说,如果当步骤执行时不能够被打断,我们就说该操作具有原子
性——是一个原子操作;反之该操作不具备原子性,不是原子操作。
简单来说,所谓原子操作就是当这个操作执行的时候,其他任务没法打断它,就好像原子无法再分一样
——如果存在任务有能力将当前的操作从中间一刀切开,我们就说这个操作不是原子操作。很容易想到,
当多个任务共享统一资源时,对资源访问操作的原子性是非常值得讨论的。
【从理解天然原子性开始】
通常我们所说的一个内核是8位、16位还是32位并不是指地址总线的宽度,而是ALU操作数的位宽,习惯
上又称之为字长。对8位机来说,ALU一次可以进行8位运算,当我们针对一个32位的数据进行操作时就要
拆成4次。对32位机来说,ALU一次就可以完成32位的运算。比较二者的区别,除了操作次数不同以外还隐
含着原子性的信息,即对8位机来说,操作32位数据要分4个步骤来完成,这期间如果发生中断/异常,操作
是会被打断的,因此不具备原子性;对32位机来说,由于ALU一次运算的过程是不可打断的,因而针对32
位数据的运算天然具有原子性,我们称之为天然原子性。
ALU对相同字长数据的处理具有天然原子性。也就是说,16位机对16位数据的处理具有天然原子性;64位
机对64位数据的处理具有天然原子性。实际应用中,天然原子性的体现还要受到数据读写对齐方式的限制:
为了提升效率,总线往往规定,数据的读写地址需要对齐到数据的宽度,比如对16位数据的读写,其目标
地址必须对齐到双字节;对32位数据的读写,其地址必须对齐到四字节。当且仅当数据的地址对齐到数据
的宽度时,天然原子性才能得到表达。
以32位机为例,对于图1所示的情形,由于32位数据的地址并未对齐到字,内核会将针对该数据的读写拆解
成四个步骤:1)针对变量的第一个字节(8位)发起一个8位的读取;2)针对变量的第二和第三个字节发
起一个16位的读取(它们正好对齐到了半字);3)针对变量的最后一个字节发起一个8位的读取;4)最后
将三次获得的结果合并成一个完整的32位数据——针对该变量的操作由多个步骤构成,且中途有可能被打断,
因而不具备原子性。
基于同样的原因,很多编译器为了提高内核的访问效率,在默认情况下,对结构体的变量采取了同样的策略
——每个成员的地址都各自对齐到了与自己类型相同大小的位置上(如图2所示)——具体内容可以通过阅读
《漫谈C变量——对齐》系列文章来了解,这里就不再赘述。
实际上,很多处理器的的ALU不光对相同字长数据的访问具有天然原子性,对小于这一字长的数据类型也具
有天然原子性。比如Cortex-M的ALU不光对32位的整型变量的访问具有原子性,对16位甚至是8位变量的访
问也具有原子性。事实上,这一特性对很多8位机、16位机和64位机都一样适用。基于这一特性,我们基本
上可以放心的认为uint8_t和int8_t在几乎所有8位及其以上的系统中都是具有天然原子性的——原因很简单,
不光因为8bit的宽度小于等于ALU的宽度,还因为,8bit的对齐方式是字节、在所有支持单字节访问的Memory
系统中,基本上可以认为是永远对齐的。这就是为什么布尔类型(bool)几乎在所有的平台中都“可以”被定义
为8bit(uint8_t)。
那么,是不是一个变量拥有了“天然原子性”,当多个任务都要对其发起访问时,我们就可以高枕无忧了呢?答
案是否定的。关于这一点,我们将在下篇文章中把每一种情况都列举出来——详细的为您分析和展开。
楼王!!!!!!!!{:lol:} 前排听课 听课中,新鲜出炉,真香 辛苦,腻害!{:smile:} 就这?必须跟进! 大师又来上课了,前排听讲。 大师上课了,认真听讲 原汁性,不查汇编代码,不安心啊 学习下!!!支持! 学习了,有用的知识又增加了 搬凳子听老师讲课,楼主的文章让人受益匪浅! 学习了,对多任务应用有帮助 搬个小板凳,来听课了 大师来上课啦,坐好听课~ 学到了,谢谢
我想问的是,是不是32位机下,数据定义成32位访问速度更快(有时候只是一个符号,也定义成32位?)?
认真听大师讲课 学习下!!!支持! 谢谢分享,学习了!有个疑问,请教楼主:int *p指向一个unsigned char buf = ;p = (int)buf;
假设系统是32位,大端模式,并且buf地址不是4字节对齐,那么*p取值会是什么? syj0925 发表于 2020-7-5 12:47
谢谢分享,学习了!有个疑问,请教楼主:int *p指向一个unsigned char buf = ; ...
取出的值是不会错的,只是非对齐的话,实际执行时需要取2次。
对齐的话取1次就可以了 laujc 发表于 2020-7-5 18:40
取出的值是不会错的,只是非对齐的话,实际执行时需要取2次。
对齐的话取1次就可以了 ...
感谢回答。 大风起兮 发表于 2020-7-4 10:36
我想问的是,是不是32位机下,数据定义成32位访问速度更快(有时候只是一个符号,也定义成32位?)? ...
stdint中有一类专门的类型,叫做 int_fastn_t 和 uint_fastn_t,这里n是具体的位数。
一般来说,使用 int_fastn_t和uint_fastn_t 定义的整型变量可以保证是当前处理器系统
中效率最高的整型。当然,使用这类类型进行定义的时候,位运算要非常小心。
我在另外一篇文章《整整整型》中有详细介绍。 syj0925 发表于 2020-7-5 12:47
谢谢分享,学习了!有个疑问,请教楼主:int *p指向一个unsigned char buf = ; ...
这是典型的非对其操作,对Cortex-M0/M1来说会直接产生 hardfault,对Cortex-M3及其以上的系统来说,会产生非对其访问(在开了非对齐访问的异常陷阱以后,也会产生bus fault)。
详细请参考我公众号【裸机思维】的文章《漫谈C变量——对齐》系列——关注公众号以后,发送关键字“对齐”即可。 Gorgon_Meducer 发表于 2020-7-6 21:07
这是典型的非对其操作,对Cortex-M0/M1来说会直接产生 hardfault,对Cortex-M3及其以上的系统来说,会产 ...
谢谢解惑 syj0925 发表于 2020-7-6 23:07
谢谢解惑
不客气,有问题多交流。 Gorgon_Meducer 发表于 2020-7-6 21:04
stdint中有一类专门的类型,叫做 int_fastn_t 和 uint_fastn_t,这里n是具体的位数。
一般来说,使用 int ...
我看了一下STM32的stdint,里面定义是这样的,那说明确实是定义成32位的速度比较快喽?
typedef signed int int_fast8_t;
typedef signed int int_fast16_t;
typedef signed int int_fast32_t;
typedef signed __INT64 int_fast64_t; 学习了,学习了。 本帖最后由 Gorgon_Meducer 于 2020-7-8 21:43 编辑
大风起兮 发表于 2020-7-8 08:21
我看了一下STM32的stdint,里面定义是这样的,那说明确实是定义成32位的速度比较快喽?
typedef signed ...
是啊,因为Cortex-M的ALU宽度是 32bit……但这仅限于32位系统,要想让你的代码具有可移植性,最好坚持用stdint里面定义的这套fast类型。单词里都带fast了,你说呢? 牛逼,涨姿势了 谢谢分享!学习了! 受教了,谢谢老板
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