《Windows核心編程》---Interlocked原子訪問系列函數(shù)
所謂原子訪問，指的是一個線程在訪問某個資源的同時能夠保證沒有其他線程會在同一時刻訪問同一資源。Interlocked系列函數(shù)提供了這樣的操作。所有這些函數(shù)會以原子方式來操控一個值。
Interlocked函數(shù)的工作原理取決于代碼運行的CPU平臺，如果是x86系列CPU，那么Interlocked函數(shù)會在總線上維持一個硬件信號，這個信號會阻止其他CPU訪問同一個內(nèi)存地址。我們必須確保傳給這些函數(shù)的變量地址是經(jīng)過對齊的，否則這些函數(shù)可能會失敗。C運行庫提供了一個_aligned_malloc函數(shù)，我們可以使用這個函數(shù)來分配一塊對齊過的內(nèi)存：
void?* _aligned_malloc(
????size_t size,??//要分配的字節(jié)數(shù)
????size_t alignment?//要對齊到的字節(jié)邊界，傳給alignment的值必須是2的整數(shù)冪次方
);
Interlocked函數(shù)的另一個需要注意的點是它們執(zhí)行得很快。調(diào)用一次Interlocked函數(shù)通常只占用幾個CPU周期（通常小于50），而且不需要在用戶模式和內(nèi)核模式之間進(jìn)行切換（這個切換通常需要占用1000個CPU周期以上）。
?
1）原子加減操作InterlockedExchangeAdd函數(shù)原型如下：
LONG?__cdecl?InterlockedExchangeAdd(?//對32位值進(jìn)行操作
??__inout??LONG?volatile?*Addend,?//需要遞增的變量地址
??__in?????LONG Value?//增量值，可為負(fù)值表示減法
);
?
LONGLONG?__cdecl?InterlockedExchangeAdd64(?//對64位值進(jìn)行操作
??__inout??LONGLONG?volatile?*Addend,
??__in?????LONGLONG Value
);
?
2）InterlockedExchange函數(shù)用于原子地將32位整數(shù)設(shè)為指定的值：
LONG?__cdecl?InterlockedExchange(
??__inout??LONG?volatile?*Target,?//指向要替換的32位值的指針
??__in?????LONG Value?//替換的值
);
返回值是指向原先的32位整數(shù)值。
?
InterlockedExchangePointer函數(shù)原子地用于替換地址值：
PVOID?__cdecl?InterlockedExchangePointer(
??__inout??PVOID?volatile?*Target,?//指向要替換的地址值的指針
??__in?????PVOID Value?//替換的地址值
);
返回值是原來的地址值。
對32位應(yīng)用程序來說，以上兩個函數(shù)都用一個32位值替換另一個32位值，但對64位應(yīng)用程序來說，InterlockedExchange替換的是32位值，而InterlockedExchangePointer替換的是64位值。
?
當(dāng)然，還有一個函數(shù)InterlockedExchange64專門用來原子地操作64位值的：
LONGLONG?__cdecl?InterlockedExchange64(
??__inout??LONGLONG?volatile?*Target,
??__in?????LONGLONG Value
);
?
在實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)鎖時，InterlockedExchange函數(shù)極其有用：
//標(biāo)識一個共享資源是否正在被使用的全局變量
BOOL g_fResourceInUse = FALSE;
...
void?ASCEFunc()
{
?????????//等待訪問共享資源
?????????while(InterlockedExchange(&g_fResourceInUse, TRUE) == TRUE)
???????????????????sleep(0);
?????????//訪問共享資源
?????????...
?????????//結(jié)束訪問
?????????InterlockedExchange(&g_fResourceInUse, FALSE);
}
注意，在使用這項技術(shù)時要小心，因為旋轉(zhuǎn)鎖會耗費CPU時間。特別是在單CPU機(jī)器上應(yīng)該避免使用旋轉(zhuǎn)鎖，如果一個線程不停地循環(huán)，那么這會浪費寶貴的CPU時間，而且會阻止其他線程改變該鎖的值。
?
3）函數(shù)InterlockedCompareExchange函數(shù)和InterlockedCompareExchangePointer函數(shù)原型如下：
LONG?__cdecl?InterlockedCompareExchange(
??__inout??LONG?volatile?*Destination,?//當(dāng)前值
??__in?????LONG Exchange,?//
??__in?????LONG Comparand?//比較值
);
PVOID?__cdecl?InterlockedCompareExchangePointer(
??__inout??PVOID?volatile?*Destination,
??__in?????PVOID Exchange,
??__in?????PVOID Comparand
);
這兩個函數(shù)以原子方式執(zhí)行一個測試和設(shè)置操作。對32位應(yīng)用程序來說，這兩個函數(shù)都對32位值進(jìn)行操作；在64位應(yīng)用程序中，InterlockedCompareExchange對32位值進(jìn)行操作而InterlockedCompareExchangePointer對64位值進(jìn)行操作。函數(shù)會將當(dāng)前值（Destination指向的）與參數(shù)Comparand進(jìn)行比較，如果兩個值相同，那么函數(shù)會將*Destination修改為Exchange參數(shù)指定的值。若不等，則*Destination保持不變。函數(shù)會返回*Destination原來的值。所有這些操作都是一個原子執(zhí)行單元來完成的。
當(dāng)然，這兩個函數(shù)的64位版本是：
LONGLONG?__cdecl?InterlockedCompareExchange64(
??__inout??LONGLONG?volatile?*Destination,
??__in?????LONGLONG Exchange,
??__in?????LONGLONG Comparand
);
?
4）Interlocked單向鏈表函數(shù)
InitializeSListHead函數(shù)用于創(chuàng)建一個空的單向鏈表棧：
void?WINAPI InitializeSListHead(
??__inout??PSLIST_HEADER ListHead
);
?
InterlockedPushEntrySList函數(shù)在棧頂添加一個元素：
PSLIST_ENTRY WINAPI InterlockedPushEntrySList(
??__inout??PSLIST_HEADER ListHead,
??__inout??PSLIST_ENTRY ListEntry
);
?
InterlockedPopEntrySList函數(shù)移除位于棧頂?shù)脑夭⑵浞祷兀?/p>
PSLIST_ENTRY WINAPI InterlockedPopEntrySList(
??__inout??PSLIST_HEADER ListHead
);
?
InterlockedFlushSList函數(shù)用于清空單向鏈表棧：
PSLIST_ENTRY WINAPI InterlockedFlushSList(
??__inout??PSLIST_HEADER ListHead
);
?
QueryDepthSList函數(shù)用于返回棧中元素的數(shù)量：
USHORT WINAPI QueryDepthSList(
??__in??PSLIST_HEADER ListHead
);
?
單向鏈表棧中元素的結(jié)構(gòu)是：
typedef?struct?_SLIST_ENTRY {
??struct?_SLIST_ENTRY *Next;
} SLIST_ENTRY, *PSLIST_ENTRY;
注意：所有單向鏈表棧中的元素必須以MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT方式對齊，使用_aligned_malloc函數(shù)即可。
?
實例如下：
#include?
#include?
#include?
?
// Structure to be used for a list item; the first member is the
// SLIST_ENTRY structure, and additional members are used for data.
// Here, the data is simply a signature for testing purposes.
?
?
typedef?struct?_PROGRAM_ITEM {
????SLIST_ENTRY ItemEntry;
????ULONG Signature;
} PROGRAM_ITEM, *PPROGRAM_ITEM;
?
int?main( )
{
????ULONG Count;
????PSLIST_ENTRY pFirstEntry, pListEntry;
????PSLIST_HEADER pListHead;
????PPROGRAM_ITEM pProgramItem;
?
????// Initialize the list header to a MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT boundary.
????pListHead = (PSLIST_HEADER)_aligned_malloc(sizeof(SLIST_HEADER),
???????MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT);
????if( NULL == pListHead )
????{
????????printf("Memory allocation failed./n");
????????return?-1;
????}
????InitializeSListHead(pListHead);
?
????// Insert 10 items into the list.
????for( Count = 1; Count <= 10; Count += 1 )
????{
????????pProgramItem = (PPROGRAM_ITEM)_aligned_malloc(sizeof(PROGRAM_ITEM),
????????????MEMORY_ALLOCATION_ALIGNMENT);
????????if( NULL == pProgramItem )
????????{
????????????printf("Memory allocation failed./n");
????????????return?-1;
????????}
????????pProgramItem->Signature = Count;
????????pFirstEntry = InterlockedPushEntrySList(pListHead,
???????????????????????&(pProgramItem->ItemEntry));
????}
?
????// Remove 10 items from the list and display the signature.
????for( Count = 10; Count >= 1; Count -= 1 )
????{
????????pListEntry = InterlockedPopEntrySList(pListHead);
?
????????if( NULL == pListEntry )
????????{
????????????printf("List is empty./n");
????????????return?-1;
????????}
?
????????pProgramItem = (PPROGRAM_ITEM)pListEntry;
????????printf("Signature is %d/n", pProgramItem->Signature);
?
????// This example assumes that the SLIST_ENTRY structure is the
????// first member of the structure. If your structure does not
????// follow this convention, you must compute the starting address
????// of the structure before calling the free function.
?
????????_aligned_free(pListEntry);
????}
?
????// Flush the list and verify that the items are gone.
????pListEntry = InterlockedFlushSList(pListHead);
????pFirstEntry = InterlockedPopEntrySList(pListHead);
????if?(pFirstEntry != NULL)
????{
????????printf("Error: List is not empty./n");
????????return?-1;
????}
?
????_aligned_free(pListHead);
?
????return?1;
}
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