[交流]漫谈C变量——天然原子性是怎么回事？

Gorgon_Meducer · 发表于 2020-7-1 20:15:45

【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。

jaywen · 发表于 2020-7-1 20:27:08

楼王！！！！！！！！

Puppey · 发表于 2020-7-1 20:37:56

前排听课

duxingkei · 发表于 2020-7-1 21:36:38

听课中，新鲜出炉，真香

tjagen · 发表于 2020-7-1 21:42:48

辛苦，腻害！

sonna · 发表于 2020-7-2 00:32:20

就这？必须跟进！

HZKJ · 发表于 2020-7-2 07:24:08

大师又来上课了，前排听讲。

我是一个大白菜 · 发表于 2020-7-2 08:08:33

大师上课了，认真听讲

chendaon · 发表于 2020-7-2 08:14:37

原汁性，不查汇编代码，不安心啊

stm32_bldc · 发表于 2020-7-2 08:40:44

学习下！！！支持！

ourdev850725 · 发表于 2020-7-2 08:50:45

学习了,有用的知识又增加了

yujintian · 发表于 2020-7-2 08:55:53

搬凳子听老师讲课，楼主的文章让人受益匪浅！

lijg8421 · 发表于 2020-7-2 09:27:22

学习了，对多任务应用有帮助

dearterry30 · 发表于 2020-7-2 10:36:28

搬个小板凳，来听课了

sunfulong · 发表于 2020-7-2 11:13:22

大师来上课啦，坐好听课～

RichardKo · 发表于 2020-7-4 09:05:53

学到了，谢谢

大风起兮 · 发表于 2020-7-4 10:36:13

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？）？

sandeant · 发表于 2020-7-4 17:32:00

认真听大师讲课

郭震2009 · 发表于 2020-7-4 18:34:42

学习下！！！支持！

syj0925 · 发表于 2020-7-5 12:47:43

谢谢分享，学习了！有个疑问，请教楼主：int *p指向一个unsigned char buf[4] = [0x01, 0x02, 0x03, 0x04]; p = (int)buf;
假设系统是32位，大端模式，并且buf[0]地址不是4字节对齐，那么*p取值会是什么？

laujc · 发表于 2020-7-5 18:40:31

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[4] = [0x01, 0x02, 0x03, 0x04]; ...

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

syj0925 · 发表于 2020-7-5 23:28:04

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。

Gorgon_Meducer · 发表于 2020-7-6 21:04:18

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。

Gorgon_Meducer · 发表于 2020-7-6 21:07:43

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[4] = [0x01, 0x02, 0x03, 0x04]; ...

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。

syj0925 · 发表于 2020-7-6 23:07:44

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

Gorgon_Meducer · 发表于 2020-7-8 06:22:08

syj0925 发表于 2020-7-6 23:07
谢谢解惑

不客气，有问题多交流。

大风起兮 · 发表于 2020-7-8 08:21:17

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;

Jerome_V · 发表于 2020-7-8 21:28:56

学习了，学习了。

Gorgon_Meducer · 发表于 2020-7-8 21:42:53

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？

liyuncan · 发表于 2020-7-9 06:52:02

牛逼，涨姿势了

tiger_wu · 发表于 2020-7-9 09:02:36

谢谢分享！学习了！

jlljh · 发表于 2020-7-26 06:45:40

受教了，谢谢老板

[交流]漫谈C变量——天然原子性是怎么回事？

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