内核定义了atomic_t 数据类型，作为对整数计数器的原子操作的基础。 各个CPU平台有各自的原子操作实现方式，基本都是通过汇编实现的。

 原子操作
原子操作是Linux中提供的一种实现同步的方法，所谓原子操作是指某一操作在执行过程中是不可以被打断的，它要么全部执行完毕，要么就一点也不执行。也就是说原子操作是绝对不会出现该操作执行了一半，内核又去执行其他操作的情况。
原子操作分为原子位操作和原子整形操作。

a.整型原子操作
原子操作主要用于实现资源计数，很多引用计数(refcnt)就是通过原子操作实现的。原子类型定义如下：

typedef struct  {  volatile int counter;  }  atomic_t;　

volatile修饰字段告诉gcc不要对该类型的数据做优化处理，对它的访问都是对内存的访问，而不是对寄存器的访问。
原子操作API：

#define ATOMIC_INIT(i) { (i) }

功能：用于在定义原子变量时，初始化为指定的值。

用法：static atomic_t count = ATOMIC_INIT⑴;//定义atomic_t变量y并将它初始化为10。

#define atomic_read(v) ((v)->counter)

功能：该函数读取v指向的原子变量的值。由于该操作本身就是原子的，只需要一次内存访问就能完成，因此定义为一个宏，并用C代码实现。

用法：atomic_read(&v);//原子地读取变量v的值

#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))

功能：设置v指向的原子变量的值为i。由于该操作本身就是原子的，只需要一次内存访问就能完成，因此定义为一个宏，并用C代码实现。

用法：atomic_set(&v,1);//原子地设置变量v的值为1

1. void atomic_add(int i, atomic_t *v);

   
   　　该函数给原子类型的变量v增加值i。

   atomic_sub(int i, atomic_t *v);

   
   　　该函数从原子类型的变量v中减去i。

   int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v);

   
   　　该函数从原子类型的变量v中减去i，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

   void atomic_inc(atomic_t *v);

   
   　　该函数对原子类型变量v原子地增加1。

   void atomic_dec(atomic_t *v);

   
   　　该函数对原子类型的变量v原子地减1。

   int atomic_dec_and_test(atomic_t *v);

   
   　　该函数对原子类型的变量v原子地减1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

   int atomic_inc_and_test(atomic_t *v);

   
   　　该函数对原子类型的变量v原子地增加1，并判断结果是否为0，如果为0，返回真，否则返回假。

   int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v);

   
   　　该函数对原子类型的变量v原子地增加I，并判断结果是否为负数，如果是，返回真，否则返回假。

   int atomic_add_return(int i, atomic_t *v);

   
   　　该函数对原子类型的变量v原子地增加i，并且返回指向v的指针。

   int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v);

   
   　　该函数从原子类型的变量v中减去i，并且返回指向v的指针。

   int atomic_inc_return(atomic_t * v);

   
   　　该函数对原子类型的变量v原子地增加1并且返回指向v的指针。

   int atomic_dec_return(atomic_t * v);

   　　该函数对原子类型的变量v原子地减1并且返回指向v的指针。

   　　原子操作通常用于实现资源的引用计数，在TCP/IP协议栈的IP碎片处理中，就使用了引用计数，碎片队列结构struct ipq描述了一个IP碎片，字段refcnt就是引用计数器，它的类型为atomic_t，当创建IP碎片时（在函数ip_frag_create中），使用atomic_set函数把它设置为1，当引用该IP碎片时，就使用函数atomic_inc把引用计数加1。

   　　当不需要引用该IP碎片时，就使用函数ipq_put来释放该IP碎片，ipq_put使用函数atomic_dec_and_test把引用计数减1并判断引用计数是否为0，如果是就释放IP碎片。函数ipq_kill把IP碎片从ipq队列中删除，并把该删除的IP碎片的引用计数减1（通过使用函数atomic_dec实现）。

    
   b.位原子操作
   原子位操作API简介：
   void set_bit(int nr, void *addr)        原子设置addr所指的第nr位
   
   void clear_bit(int nr, void *addr)      原子的清空所指对象的第nr位
   
   void change_bit(nr, void *addr) 原子的翻转addr所指的第nr位
   
   int test_bit(nr, void *addr) 原子的返回addr位所指对象nr位
   
   int test_and_set_bit(nr, void *addr)    原子设置addr所指对象的第nr位，并返回原先的值
   
   int test_and_clear_bit(nr, void *addr)  原子清空addr所指对象的第nr位，并返回原先的值
   
   int test_and_change_bit(nr, void *addr) 原子翻转addr所指对象的第nr位，并返回原先的值
   
   如：标志寄存器EFLSGS的系统标志，用于控制I/O访问，可屏蔽硬件中断。共32位，不同的位代表不同的信息，
   对其中信息改变都是通过位操作实现的。

 以下原文：http://blog.csdn.net/qb_2008/article/details/6840808

在任何处理器平台下，都会有一些原子性操作，供操作系统使用，我们这里只讲x86下面的。在单处理器情况下，每条指令的执行都是原子性的，但在多处理器情况下，只有那些单独的读操作或写操作才是原子性的。为了弥补这一缺点，x86提供了附加的lock前缀，使带lock前缀的读修改写指令也能原子性执行。带lock前缀的指令在操作时会锁住总线，使自身的执行即使在多处理器间也是原子性执行的。xchg指令不带lock前缀也是原子性执行，也就是说xchg执行时默认会锁内存总线。原子性操作是线程间同步的基础，linux专门定义了一种只进行原子操作的类型atomic_t，并提供相关的原子读写调用API。本节就来分析这些原子操作在x86下的实现。

typedef struct {
	volatile int counter;
} atomic_t;

原子类型其实是int类型，只是禁止寄存器对其暂存。

#define ATOMIC_INIT(i)	{ (i) }

原子类型的初始化。32位x86平台下atomic API在arch/x86/include/asm/atomic_32.h中实现。

static inline int atomic_read(const atomic_t *v)
{
	return v->counter;
}

static inline void atomic_set(atomic_t *v, int i)
{
	v->counter = i;
}

单独的读操作或者写操作，在x86下都是原子性的。

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{
	asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"
		     : "+m" (v->counter)
		     : "ir" (i));
}

static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v)
{
	asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %1,%0"
		     : "+m" (v->counter)
		     : "ir" (i));
}

atomic_add和atomic_sub属于读修改写操作，实现时需要加lock前缀。

static inline int atomic_sub_and_test(int i, atomic_t *v)
{
	unsigned char c;

	asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %2,%0; sete %1"
		     : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
		     : "ir" (i) : "memory");
	return c;
}

atomic_sub_and_test执行完减操作后检查结果是否为0。

static inline void atomic_inc(atomic_t *v)
{
	asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0"
		     : "+m" (v->counter));
}

static inline void atomic_dec(atomic_t *v)
{
	asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0"
		     : "+m" (v->counter));
}

atomic_inc和atomic_dec是递增递减操作。

static inline int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)
{
	unsigned char c;

	asm volatile(LOCK_PREFIX "decl %0; sete %1"
		     : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
		     : : "memory");
	return c != 0;
}

atomic_dec_and_test在递减后检查结果是否为0。

static inline int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)
{
	unsigned char c;

	asm volatile(LOCK_PREFIX "incl %0; sete %1"
		     : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
		     : : "memory");
	return c != 0;
}

atomic_inc_and_test在递增后检查结果是否为0。

static inline int atomic_add_negative(int i, atomic_t *v)
{
	unsigned char c;

	asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %2,%0; sets %1"
		     : "+m" (v->counter), "=qm" (c)
		     : "ir" (i) : "memory");
	return c;
}

atomic_add_negative在加操作后检查结果是否为负数。

static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
{
	int __i;
#ifdef CONFIG_M386
	unsigned long flags;
	if (unlikely(boot_cpu_data.x86 <= 3))
		goto no_xadd;
#endif
	/* Modern 486+ processor */
	__i = i;
	asm volatile(LOCK_PREFIX "xaddl %0, %1"
		     : "+r" (i), "+m" (v->counter)
		     : : "memory");
	return i + __i;

#ifdef CONFIG_M386
no_xadd: /* Legacy 386 processor */
	local_irq_save(flags);
	__i = atomic_read(v);
	atomic_set(v, i + __i);
	local_irq_restore(flags);
	return i + __i;
#endif
}

atomic_add_return 不仅执行加操作，而且把相加的结果返回。它是通过xadd这一指令实现的。

static inline int atomic_sub_return(int i, atomic_t *v)
{
	return atomic_add_return(-i, v);
}

atomic_sub_return 不仅执行减操作，而且把相减的结果返回。它是通过atomic_add_return实现的。

static inline int atomic_cmpxchg(atomic_t *v, int old, int new)
{
	return cmpxchg(&v->counter, old, new);
}

#define cmpxchg(ptr, o, n)						\
	((__typeof__(*(ptr)))__cmpxchg((ptr), (unsigned long)(o),	\
				       (unsigned long)(n),		\
				       sizeof(*(ptr))))

static inline unsigned long __cmpxchg(volatile void *ptr, unsigned long old,
				      unsigned long new, int size)
{
	unsigned long prev;
	switch (size) {
	case 1:
		asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgb %b1,%2"
			     : "=a"(prev)
			     : "q"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
			     : "memory");
		return prev;
	case 2:
		asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgw %w1,%2"
			     : "=a"(prev)
			     : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
			     : "memory");
		return prev;
	case 4:
		asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgl %k1,%2"
			     : "=a"(prev)
			     : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
			     : "memory");
		return prev;
	case 8:
		asm volatile(LOCK_PREFIX "cmpxchgq %1,%2"
			     : "=a"(prev)
			     : "r"(new), "m"(*__xg(ptr)), "0"(old)
			     : "memory");
		return prev;
	}
	return old;
}

atomic_cmpxchg是由cmpxchg指令完成的。它把旧值同atomic_t类型的值相比较，如果相同，就把新值存入atomic_t类型的值中，返回atomic_t类型变量中原有的值。

static inline int atomic_xchg(atomic_t *v, int new)
{
	return xchg(&v->counter, new);
}

#define xchg(ptr, v)							\
	((__typeof__(*(ptr)))__xchg((unsigned long)(v), (ptr), sizeof(*(ptr))))

static inline unsigned long __xchg(unsigned long x, volatile void *ptr,
				   int size)
{
	switch (size) {
	case 1:
		asm volatile("xchgb %b0,%1"
			     : "=q" (x)
			     : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
			     : "memory");
		break;
	case 2:
		asm volatile("xchgw %w0,%1"
			     : "=r" (x)
			     : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
			     : "memory");
		break;
	case 4:
		asm volatile("xchgl %k0,%1"
			     : "=r" (x)
			     : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
			     : "memory");
		break;
	case 8:
		asm volatile("xchgq %0,%1"
			     : "=r" (x)
			     : "m" (*__xg(ptr)), "0" (x)
			     : "memory");
		break;
	}
	return x;
}

atomic_xchg则是将新值存入atomic_t类型的变量，并将变量的旧值返回。它使用xchg指令实现。

/**
 * atomic_add_unless - add unless the number is already a given value
 * @v: pointer of type atomic_t
 * @a: the amount to add to v...
 * @u: ...unless v is equal to u.
 *
 * Atomically adds @a to @v, so long as @v was not already @u.
 * Returns non-zero if @v was not @u, and zero otherwise.
 */
static inline int atomic_add_unless(atomic_t *v, int a, int u)
{
	int c, old;
	c = atomic_read(v);
	for (;;) {
		if (unlikely(c == (u)))
			break;
		old = atomic_cmpxchg((v), c, c + (a));
		if (likely(old == c))
			break;
		c = old;
	}
	return c != (u);
}

atomic_add_unless的功能比较特殊。它检查v是否等于u，如果不是则把v的值加上a，返回值表示相加前v是否等于u。因为在atomic_read和atomic_cmpxchg中间可能有其它的写操作，所以要循环检查自己的值是否被写进去。

#define atomic_inc_not_zero(v) atomic_add_unless((v), 1, 0)

#define atomic_inc_return(v)  (atomic_add_return(1, v))
#define atomic_dec_return(v)  (atomic_sub_return(1, v))

atomic_inc_not_zero在v值不是0时加1。

atomic_inc_return对v值加1，并返回相加结果。

atomic_dec_return对v值减1，并返回相减结果。

#define atomic_clear_mask(mask, addr)				\
	asm volatile(LOCK_PREFIX "andl %0,%1"			\
		     : : "r" (~(mask)), "m" (*(addr)) : "memory")

atomic_clear_mask清除变量某些位。

#define atomic_set_mask(mask, addr)				\
	asm volatile(LOCK_PREFIX "orl %0,%1"				\
		     : : "r" (mask), "m" (*(addr)) : "memory")

atomic_set_mask将变量的某些位置位。

/* Atomic operations are already serializing on x86 */
#define smp_mb__before_atomic_dec()	barrier()
#define smp_mb__after_atomic_dec()	barrier()
#define smp_mb__before_atomic_inc()	barrier()
#define smp_mb__after_atomic_inc()	barrier()

因为x86的atomic操作大多使用原子指令或者带lock前缀的指令。带lock前缀的指令执行前会完成之前的读写操作，对于原子操作来说不会受之前对同一位置的读写操作，所以这里只是用空操作barrier()代替。barrier()的作用相当于告诉编译器这里有一个内存屏障，放弃在寄存器中的暂存值，重新从内存中读入。

本节的atomic_t类型操作是最基础的，为了介绍下面的内容，必须先介绍它。如果可以使用atomic_t类型代替临界区操作，也可以加快不少速度。