DPDK CAS(compare and set)操作

前言

rte_ring是一个无锁队列，无锁队列的出队入队操作是rte_ring实现的关键。因此，本文主要讲解dpdk是怎样使用无锁机制实现rte_ring的多生产者入队操作。

rte_atomic32_cmpset（）称为CAS(compare and set)操作，是无锁队列实现的关键

函数原型

static inline int
rte_atomic32_cmpset(volatile uint32_t *dst, uint32_t exp, uint32_t src)
{
uint8_t res;
	asm volatile(
	"lock;"
	"cmpxchgl %[src], %[dst];"
	"sete %[res];"
	:[res] "=a"(res),	/*output*/
	[dst] "=m"(*dst)
	:[src] "r"(src),	/*input*/
	"a" (exp),
	"m" (*dst)
	:"memory");		/* no-clobber list */
return res;
}      //函数的作用是：rte_atomic32_cmpset内部比较dst和exp，如果dst和exp相等，那么把src赋值给dst

便于理解，参数可以重命名一下

static inline int rte_atomic32_cmpset(volatile uint32_t *current, uint32_t old, uint32_t next);

内联汇编的基本格式为：

asm [ volatile ] (
        assembler template
        [ : output operands ]                /* optional */
        [ : input operands  ]                /* optional */
        [ : list of clobbered registers ]    /* optional */
        );

asm： asm为gcc关键字，表示接下来要嵌入汇编代码。为避免keyword asm与程序中其它部分产生命名冲突，gcc还支持__asm__关键字，与asm的作用等价。

volatile： 为可选关键字，表示不需要gcc对下面的汇编代码做任何优化。同样出于避免命名冲突的原因，__volatile__也是gcc支持的与volatile等效的关键字。

assembler template：这部分即我们要嵌入的汇编命令，由于我们是在C语言中内联汇编代码，故需用双引号""将命令括起来，以便gcc以字符串形式将这些命令传给汇编器AS。例如可以写成这样："movl %eax, %ebx"。有时候，汇编命令可能有多个，则通常分多行写，每行的命令都用双引号括起来，命令后紧跟"\n\t"之类的分隔符（当然，也可以只用1对双引号将多行命令括起来，从语法来说，两种写法均有效，我们可自行决定用哪种格式来写）。

output operands： 该字段为可选项，用以指明输出操作数，典型的格式为：

   : "=a" (out_var)

其中，"=a"指定output operand的应遵守的约束（constraint），out_var为存放指令结果的变量，通常是个C语言变量。

input operands： 该字段为可选项，用以指明输入操作数，其典型格式为：

     : "constraints" (in_var)

其中，constraints可以是gcc支持的各种约束方式，in_var通常为C语言提供的输入变量。

list of clobbered registers ： 该字段为可选项，用于列出指令中涉及到的且没出现在output operands字段及input operands字段的那些寄存器。若寄存器被列入clobber-list，则等于是告诉gcc，这些寄存器可能会被内联汇编命令改写。因此，执行内联汇编的过程中，这些寄存器就不会被gcc分配给其它进程或命令使用。

我们再来看rte_atomic32_cmpset函数就会清晰很多了

"lock;"

> 枷锁，避免多个线程同时执行下面的汇编指令。

"cmpxchgl %[src], %[dst];"

Cmpxchgl指令有三个操作数，dst、src和eax寄存器，执行结果会影响dst和ZF标志位。

指令将dst和eax里的值比较，如果相同，将src里的值赋给dst，同时ZF置位。

Eax寄存器的在c语言掉用汇编的时候，函数入参exp赋给寄存器eax。

那么cmpxchgl实际执行的就是，比较exp(也就是eax)与 dst的值，如果相等，那么将src的值赋值给dst

"sete %[res];"

sete这个命令，是set+equeal，就是上面Cmpxchgl比较结果如果相等，则set ZF，并把值赋给res

入参属性：

1、[src] "r" (src),

Src是个寄存器变量（普通register，也就是eax，ebx，ecx，edx，esi，edi中的一个）

2、"a" (exp),

exp是个寄存器变量，它的值在c语言调用汇编时候，“a”表示的是（eax寄存器），通过这个标识，将exp放在eax寄存器里。

如果eax已经被使用，eax的原来的值会先push到堆栈里，执行完汇编后，再push到eax里。

3、"m" (*dst)

入参dst是个memory变量

出参属性

1、[res] "=a" (res),

汇编函数返回的值

[dst] "=m" (*dst)

dst是个内存变量，这个变量被volatile修饰，是从内存读取的，不是寄存器或者cache缓存的。不想借助于任何寄存器。

常用的寄存器约束的缩写:

• r:I/O,表示使用一个通用寄存器,由GCC在%eax/%ax/%al、%ebx/%bx/%bl、%ecx/%cx/%cl、%edx/%dx/%dl中选取一个GCC认为是合适的;
• q:I/O,表示使用一个通用寄存器,与r的意义相同;
• g:I/O,表示使用寄存器或内存地址;
• m:I/O,表示使用内存地址;
• a:I/O,表示使用%eax/%ax/%al;
• b:I/O,表示使用%ebx/%bx/%bl;
• c:I/O,表示使用%ecx/%cx/%cl;
• d:I/O,表示使用%edx/%dx/%dl;
• D:I/O,表示使用%edi/%di;
• S:I/O,表示使用%esi/%si;
• f:I/O,表示使用浮点寄存器;
• t:I/O,表示使用第一个浮点寄存器;
• u:I/O,表示使用第二个浮点寄存器;
• A:I/O,表示把%eax与%edx组合成一个64位的整数值;
• o:I/O,表示使用一个内存位置的偏移量;
• V:I/O,表示仅仅使用一个直接内存位置;
• i:I/O,表示使用一个整数类型的立即数;
• n:I/O,表示使用一个带有已知整数值的立即数;
• F:I/O,表示使用一个浮点类型的立即数;

测试rte_atomic32_cmpset 函数

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <stdint.h>
#include <pthread.h>

static inline int
rte_atomic32_cmpset(volatile uint32_t *dst, uint32_t exp, uint32_t src)
{
uint8_t res;
	asm volatile(
	"lock;"
	"cmpxchgl %[src], %[dst];"
	"sete %[res];"
	:[res] "=a"(res),	/*output*/
	[dst] "=m"(*dst)
	:[src] "r"(src),	/*input*/
	"a" (exp),
	"m" (*dst)
	:"memory");		/* no-clobber list */
return res;
}

volatile uint32_t sum = 0;

void *func()
{
	uint32_t last_sum = 0;
	for(int i = 0; i < 100000; i++)
	{
		while(!rte_atomic32_cmpset(&sum, last_sum, last_sum + 1))
		{
			last_sum = sum;
		}
	}
}

int main()
{
	pthread_t pid1, pid2;

	pthread_create(&pid1, NULL, func, NULL);
	pthread_create(&pid2, NULL, func, NULL);

	pthread_join(pid1, NULL);
	pthread_join(pid2, NULL);

	printf("sum = %d\n", sum);
	return 0;
}

编译时加上 -lpthread