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C語言陷阱與技巧19節，給一個變數加 0 也有講究？怎樣自定義一個自己的鎖？
- 由 IT劉小虎 發表于 棋牌
- 2021-05-26
c語言餘數為0怎麼表示
在閱讀 Linux 核心原始碼時，發現了兩個宏，相關的C語言程式碼如下，請看：
#define atomic_read（v） （（v）->counter + 0）
#define atomic64_read（v） （（v）->counter + 0）
這兩個宏接收一個結構體引數，該結構體的C語言定義如下：
typedefstruct { volatileint counter； } atomic_t；
typedefstruct { volatilelong counter； } atomic64_t；
這兩個宏可以提供“原子操作”級的讀資料操作。一開始看到這個宏的時候，我搞不懂為何要在最後“+0”，不過仔細想想，這麼做至少有兩個好處。
宏定義後 “+0”的技巧
首先，在 atomic_read（） 宏定義後“+0”可以避免 atomic_read（） 宏被當作“左值”。根據改宏的名字，應該能夠知道它是“原子的”讀取，而一個被讀取的資料再做“左值”顯然是不合適的，如果沒有後面的 “+0”，下面這樣誤寫的C語言程式碼，編譯器是不會報錯的：
if （atomic_read（v） = 32） {
。。。
}
當然，也可以使用下面這樣的宏定義避免 atomic_read（） 宏被當作左值：
#define atomic_read（v） （+（v）->counter）
即加上一個“正號”，不過這麼做顯然沒有在後面“+0”好，相信讀者應該明白，這裡就不贅述了。
按照C語言標準，一個宏只要名字一樣，引數型別一樣，邏輯一樣，出現重複的宏定義時完全沒有問題的，不過出現重複程式碼對維護來說是一件很不好的事。在宏後面“+0”的另外一個好處就是可以儘可能的避免重複的宏定義。請看：
//atomic。h
#define atomic_read（v） （（v）->counter + 0）
#define atomic64_read（v） （（v）->counter）
//some source file that includes atomic。h
#define atomic_read（v） （（v）->counter） //redefinition error
#define atomic64_read（v） （（v）->counter） //no redefinition error
C語言程式開發中的原子操作
我們再來說說C語言程式開發中的“原子操作”。相信不少朋友都聽說過“鎖”的概念，它主要用於避免一些共享資源被多個執行緒併發訪問時，出現數據錯誤的情況。而“原子操作”是鎖的基石，或者換句話說，“鎖”是依靠原子操作實現的。
眾所周知，“原子”是組成萬物的微小顆粒，一般認為原子已經足夠小，無法再被分割。與之對應，C語言中的“原子操作”則是不能再被分割的指令。那麼，原子操作的意義是什麼呢？假設在某個C語言程式中定義了一個全域性變數 i，如果有兩個執行緒同時訪問 i，並執行“加一”操作，如果 i 的初值為 0，我們當然希望這一過程是這樣的：
但是，如果沒有對 i 做任何保護，實際上非常有可能是下面這樣的執行流程：
因為
訪問
i和對其
加一
是獨立的兩個過程，執行緒1和執行緒2完全可能在 i 的值增加之前讀取到了它的初值，然後各自加一，這就會導致不期望的結果出現：兩個執行緒執行完畢後，全域性變數 i 的值本來應該是 2 的，結果卻為 1 了。
不過，如果
訪問
和
加一
這兩個操作是原子操作，上面那種競爭情況就不會出現了，整個過程只有可能是下面這兩種情況之一：
最後必定會得到預期結果（i==2），因為
訪問
和
加一
是一個原子操作，這個過程不可能被分割，也就不會出現不預期的結果了。
原子操作的“陷阱”與“小技巧”
可能初學者會認為C語言程式中，如果程式碼只有一行，那必定是原子操作。這其實是一個較為致命的“陷阱”，大多數機器只能保證操作一個字是原子的，還有一部分機器則只能保證操作一個位元組是原子的。
舉個最簡單的例子，請看下面這段C語言程式碼：
struct s{
long a；
double b；
char c［1024］；
}；
struct s s1， s2；
s1 = s2；
s 是一個相當大的結構體，所以 s1=s2； 雖然只有一行，它仍然不是原子操作。事實上，我們可以得到這段C語言程式的彙編程式碼：
容易看出，雖然 s1=s2； 只是一行C語言程式碼，但機器卻需要若干條指令才能完成，這就非常有可能被其他執行緒打斷。例如 s1=s2； 這條語句正在賦值，還沒有完成時，其他執行緒讀取了 s1，這顯然會導致不期望的結果出現。
避免出現上述“不期望”的結果出現的方法就是對 s1 和 s2 進行保護。常用的方法是使用鎖，在賦值之前加鎖，賦值完成後再解鎖。
lock（）；s1 = s2；unlock（）；
互斥鎖是使用最廣泛的鎖之一，但是互斥鎖在加鎖過程中可能會睡眠，這時作業系統可能會排程其他執行緒執行，這對於需要較長時間加鎖的情況當然是好事，但是我們僅做了賦值操作，是不希望有這樣的時間開銷的，針對這種情況，一個小技巧是使用位操作，自定義一個輕量級的鎖：
status char status = 0；
#define BIT_LOCK 0x01
#define BIT_UNLOCK（） （status &= ~BIT_LOCK）
#define BIT_LOCK（）\
do{\
while（ status & BIT_LOCK）；\
status |= BIT_LOCK；\
}while（0）
BIT_LOCK（）；
s1 = s2；
BIT_UNLOCK（）；
一個位要麼是 0，要麼是 1，它的變化必定是“原子”的，因此完全可以用來自定義一個輕量級的鎖。不過應該注意，BIT_LOCK（） 只是一個輕量級的鎖，在鎖住資源的時候，它不會睡眠，而是讓 CPU 保持空轉等待，這期間CPU什麼工作也不做。所以在 BIT_LOCK（） 加鎖期間，應只做一些能夠快速完成的工作。
請讀者思考一下，為什麼在處理一些能夠快速完成的工作時，使用 BIT_LOCK（） 比使用互斥鎖的效率反而更高呢？（可閱讀我的 《Linux 學習》系列文章）
小結
本節我們透過Linux 核心中的一個宏定義知道了有時候“+0”這樣看似無用的操作，也是能夠提供非常不錯的實用技巧的。另外，本節也討論了原子操作，以及如何利用這一原理實現自己的鎖。