C/C++-------------__sync_fetch_and_add 原子操作------------------

GCC 提供的原子操作

gcc从4.1.2提供了__sync_*系列的built-in函数，用于提供加减和逻辑运算的原子操作。

其声明如下：

 type __sync_fetch_and_add (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_fetch_and_sub (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_fetch_and_or (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_fetch_and_and (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_fetch_and_xor (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_fetch_and_nand (type  * ptr, type value, ...)
 
 
 type __sync_add_and_fetch (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_sub_and_fetch (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_or_and_fetch (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_and_and_fetch (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_xor_and_fetch (type  * ptr, type value, ...)
 type __sync_nand_and_fetch (type  * ptr, type value, ...) 

这两组函数的区别在于第一组返回更新前的值，第二组返回更新后的值。

type可以是1,2,4或8字节长度的int类型，即：

int8_t  /  uint8_t
int16_t  /  uint16_t
int32_t  /  uint32_t
int64_t  /  uint64_t

-------------------------临时别人的解释

__sync_fetch_and_add系列的命令，发现这个系列命令讲的最好的一篇文章，英文好的同学可以直接去看原文。Multithreaded simple data type access and atomic variables

     __sync_fetch_and_add系列一共有十二个函数，有加/减/与/或/异或/等函数的原子性操作函数,__sync_fetch_and_add,顾名思义，现fetch，然后自加，返回的是自加以前的值。以count = 4为例，调用__sync_fetch_and_add(&count,1),之后，返回值是4，然后，count变成了5.
    有了这个宝贝函数，我们就有新的解决办法了。对于多线程对全局变量进行自加，我们就再也不用理线程锁了。下面这行代码，和上面被pthread_mutex保护的那行代码作用是一样的，而且也是线程安全的。

---------------------临时别人的解释--end------------------------

后面的可扩展参数(...)用来指出哪些变量需要memory barrier,因为目前gcc实现的是full barrier（类似于linux kernel 中的mb(),表示这个操作之前的所有内存操作不会被重排序到这个操作之后）,所以可以略掉这个参数。

bool  __sync_bool_compare_and_swap (type  * ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type  * ptr, type oldval type newval, ...)

这两个函数提供原子的比较和交换，如果*ptr == oldval,就将newval写入*ptr,
第一个函数在相等并写入的情况下返回true.
第二个函数在返回操作之前的值。

__sync_synchronize (...)

发出一个full barrier.

关于memory barrier,cpu会对我们的指令进行排序，一般说来会提高程序的效率，但有时候可能造成我们不希望得到的结果，举一个例子，比如我们有一个硬件设备，它有4个寄存器，当你发出一个操作指令的时候，一个寄存器存的是你的操作指令（比如READ），两个寄存器存的是参数（比如是地址和size），最后一个寄存器是控制寄存器，在所有的参数都设置好之后向其发出指令，设备开始读取参数，执行命令，程序可能如下：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    write1(dev.register_control,GO);

如果最后一条write1被换到了前几条语句之前，那么肯定不是我们所期望的，这时候我们可以在最后一条语句之前加入一个memory barrier,强制cpu执行完前面的写入以后再执行最后一条：

    write1(dev.register_size,size);
    write1(dev.register_addr,addr);
    write1(dev.register_cmd,READ);
    __sync_synchronize();
    write1(dev.register_control,GO);

memory barrier有几种类型：
    acquire barrier : 不允许将barrier之后的内存读取指令移到barrier之前（linux kernel中的wmb()）。
    release barrier : 不允许将barrier之前的内存读取指令移到barrier之后 (linux kernel中的rmb())。
    full barrier    : 以上两种barrier的合集(linux kernel中的mb())。


还有两个函数：

type __sync_lock_test_and_set (type *ptr, type value, ...)
   将*ptr设为value并返回*ptr操作之前的值。

void __sync_lock_release (type *ptr, ...)
     将*ptr置0


示例程序：

 
 #include  < stdio.h > 
 #include  < pthread.h > 
 #include  < stdlib.h > 
 
  static   int  count  =   0 ;
 
 
  void   * test_func( void   * arg)
 {
          int  i = 0 ;
          for (i = 0 ;i < 20000 ; ++ i){
                 __sync_fetch_and_add( & count, 1 );
         }
          return  NULL;
 }
 
  int  main( int  argc,  const   char   * argv[])
 {
         pthread_t id[ 20 ];
          int  i  =   0 ;
 
          for (i = 0 ;i < 20 ; ++ i){
                 pthread_create( & id[i],NULL,test_func,NULL);
         }
 
          for (i = 0 ;i < 20 ; ++ i){
                 pthread_join(id[i],NULL);
         }
 
         printf( " %d\n " ,count);
          return   0 ;
 } 

参考：

1. http://refspecs.freestandards.org/elf/IA64-SysV-psABI.pdf   section 7.4

2. http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.2/gcc/Atomic-Builtins.html#Atomic-Builtins