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Ubuntu 下 nginx-1.24.0 源码分析 - ngx_atomic_cmp_set 函数

news 来源：原创 2025/5/17 14:59:38

修正

执行
./configure
命令时，输出：

checking for OS
+ Linux 6.8.0-52-generic x86_64
checking for C compiler ... found
+ using GNU C compiler
+ gcc version: 11.4.0 (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04)

所以当前环境是 x86_64

于是在 src\os\unix\ngx_atomic.h 中
#include "ngx_gcc_atomic_x86.h"
被包含

src/os/unix/ngx_gcc_atomic_x86.h 中：
static ngx_inline ngx_atomic_uint_t
ngx_atomic_cmp_set(ngx_atomic_t *lock, ngx_atomic_uint_t old,ngx_atomic_uint_t set)
{u_char  res;__asm__ volatile (NGX_SMP_LOCK"    cmpxchgl  %3, %1;   ""    sete      %0;       ": "=a" (res) : "m" (*lock), "a" (old), "r" (set) : "cc", "memory");return res;
}
函数功能：

原子地比较 *lock 的值是否等于 old：

若相等：将 *lock 设置为 set，并返回 1（成功）

若不相等：不修改 *lock，返回 0（失败）

内联汇编实现

NGX_SMP_LOCK

宏定义，在多核（SMP）系统中扩展为 lock 前缀，确保指令的原子性；单核系统中可能为空

cmpxchgl %3, %1

x86 的原子比较并交换指令：

比较 %1（即 *lock）与 eax 寄存器（隐含使用，值为 old）
若相等，将 %3（即 set）写入 *lock；否则，将 *lock 的值加载到 eax

sete %0

根据 cmpxchgl 结果（ZF 标志位）设置 res 为 0 或 1

输入输出约束

输出 "=a" (res)：结果 res 通过 eax 寄存器返回

输入 "m" (*lock), "a" (old), "r" (set)：

*lock 作为内存操作数

old 存入 eax（隐含用于 cmpxchgl 的比较）

set 存入通用寄存器

"cc", "memory"：告知编译器条件寄存器和内存可能被修改

内联汇编语法

操作数占位符

%0, %1, %2, %3：按操作数出现顺序编号：
%0 → "=a" (res)（输出）
%1 → "m" (*lock)（输入）
%2 → "a" (old)（输入）
%3 → "r" (set)（输入）

操作数约束（Constraints）

输出操作数 "=a" (res)

=：表示只写（输出）。
a：使用 eax 寄存器。
res：C变量，接收结果（0或1）

"m" (*lock)

m：内存操作数，直接操作 *lock 的内存地址

"a" (old)

a：将 old 的值存入 eax 寄存器（cmpxchgl 隐式使用 eax 进行比较）。

"r" (set)

r：将 set 的值存入任意通用寄存器（如 ebx、ecx 等）。

Clobber列表

"cc"：表示指令修改了标志寄存器（如 ZF、CF）。
"memory"：表示指令可能修改内存，强制编译器刷新内存缓存。

cmpxchgl 源操作数, 目标操作数

比较 目标操作数（即 *lock）与 eax 的值（old）。

若相等：

将 源操作数（即 set）写入 目标操作数（*lock）。

设置 ZF（Zero Flag）为 1。

若不相等：

将 目标操作数（*lock）的值加载到 eax。

设置 ZF 为 0。

sete %0

sete：若 ZF=1（即比较成功），将目标（%0，即 res）设为 1，否则设为 0。
由于 %0 约束为 "=a"，结果通过 eax 写入 res。

执行流程

将 old 加载到 eax。

原子比较 *lock 与 eax：

相等 → 将 set 写入 *lock，ZF=1。

不等 → 将 *lock 值加载到 eax，ZF=0。

根据 ZF 设置 res（1 或 0）。

返回 res。

意图

实现原子操作
通过 cmpxchgl 指令和 lock 前缀，确保在多核环境下的原子性，避免竞态条件。

跨平台兼容性

使用 NGX_SMP_LOCK 宏适配不同平台（如单核无需 lock 前缀）

NGX_SMP_LOCK

在 src\os\unix\ngx_gcc_atomic_x86.h
#if (NGX_SMP)
#define NGX_SMP_LOCK  "lock;"
#else
#define NGX_SMP_LOCK
#endif
objs/ngx_auto_config.h 中
#ifndef NGX_SMP
#define NGX_SMP  1
#endif
所以 NGX_SMP_LOCK 是 "lock;"

无 lock：cmpxchgl 本身是原子的，但仅限单核环境。
有 lock：确保多核环境下的原子性，完整执行“比较-交换”操作。

修正

以上部分可能是错误的

在 src\os\unix\ngx_atomic.h 中：
#define ngx_trylock(lock)  (*(lock) == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, 1))
这样定义了 ngx_trylock

但对于 ngx_atomic_cmp_set 的定义可能判断错了

在我的Ubuntu 环境中

objs/ngx_auto_config.h:9:#define NGX_HAVE_GCC_ATOMIC 1

也就是在 objs/ngx_auto_config.h 中

定义了
#ifndef NGX_HAVE_GCC_ATOMIC
#define NGX_HAVE_GCC_ATOMIC  1
#endif
在 ngx_atomic.h 中
#if (NGX_HAVE_LIBATOMIC)
省略
#elif (NGX_HAVE_GCC_ATOMIC)
省略
#define ngx_atomic_cmp_set(lock, old, set)                                    \__sync_bool_compare_and_swap(lock, old, set)
#elif (NGX_HAVE_GCC_ATOMIC) 条件成立

所以 ngx_atomic_cmp_set 的定义应该是：
#define ngx_atomic_cmp_set(lock, old, set)                                    \__sync_bool_compare_and_swap(lock, old, set)
在Ubuntu的x86_64架构下，NGX_HAVE_GCC_ATOMIC会被定义

ngx_atomic_cmp_set 在支持GCC原子内置函数的情况下，这个函数应该会被定义为上述情况

__sync_bool_compare_and_swap

是 GCC 提供的一个内置原子操作函数，用于实现多线程环境下的无锁同步。其作用是在原子操作中比较并交换（Compare-and-Swap, CAS）一个值，常用于实现线程安全的操作。

函数原型
bool __sync_bool_compare_and_swap(type *ptr, type oldval, type newval);
参数：
ptr：指向需要操作的内存地址的指针。
oldval：期望的旧值。
newval：要设置的新值。

返回值：
如果 *ptr 的当前值等于 oldval，则将 *ptr 设置为 newval，并返回 true。
否则不修改内存，返回 false。

底层原理

该函数依赖硬件级别的原子指令（如 x86 的 CMPXCHG 指令）实现，确保多线程环境下操作的原子性

函数由 GCC 编译器直接提供，无需像标准库函数（如 printf）那样通过 #include 引入头文件。

直接在代码中调用即可

gcc -E

鉴于有时预编译指令较多且嵌套，难以判断具体使用的哪一个定义

于是改用 gcc -E 的方法

作用：运行 GCC 的 预处理阶段，处理以下内容：
展开 #include 引入的头文件。
替换 #define 定义的宏。
处理 #ifdef/#if 等条件编译指令。
删除注释。

输出：预处理后的纯 C 代码（未编译）。
gcc -E src/core/ngx_times.c \-I src/core \-I src/event \-I src/event/modules \-I src/os/unix \-I objs \> ngx_times_preprocessed.c
-I 添加头文件搜索路径

> ngx_times_preprocessed.c

作用：将预处理结果重定向到文件 ngx_times_preprocessed.c
文件内容：展开后的完整代码

找到原本 ngx_times.c中
void
ngx_time_update(void)
{u_char          *p0, *p1, *p2, *p3, *p4;ngx_tm_t         tm, gmt;time_t           sec;ngx_uint_t       msec;ngx_time_t      *tp;struct timeval   tv;if (!ngx_trylock(&ngx_time_lock)) {return;}
ngx_time_update 函数中，struct timeval tv; 后，ngx_trylock 调用的地方

在 ngx_times_preprocessed.c 中的位置
 if (!(*(&ngx_time_lock) == 0 && __sync_bool_compare_and_swap(&ngx_time_lock, 0, 1))) {return;}
这里是展开后的样子

所以确认是调用了

__sync_bool_compare_and_swap

Ubuntu 下 nginx-1.24.0 源码分析 - ngx_atomic_cmp_set 函数

目录修正执行 ./configure 命令时，输出： checking for OS Linux 6.8.0-52-generic x86_64 checking for C compiler ... found using GNU C compiler gcc version: 11.4.0 (Ubuntu 11.4.0-1ubuntu1~22.04) 所以当前环境是 x86_64 于是在 src…...

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修正

__sync_bool_compare_and_swap

gcc -E

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