关于arch/arm64/include/asm/atomic.h的atomic_add函数的问题

Question

我对基于 Linux 内核的 C 编码风格非常陌生。我试图从“arch/arm64/include/asm/atomic.h”文件（here 的第 112-124 行）中了解“atomic_add”函数的以下实现。

static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v)
{ 
    unsigned long tmp;
    int result;
    asm volatile("// atomic_add\n"
        "1: ldxr    %w0, %2\n"
        "   add %w0, %w0, %w3\n"
        "   stxr    %w1, %w0, %2\n"
        "   cbnz    %w1, 1b"
        : "=&r" (result), "=&r" (tmp), "+Q" (v->counter)
        : "Ir" (I));

}

请帮助我理解以下问题。

1. %w0 或 %w3 是什么意思？我知道 %2 指的是计数器值。

2. %w0 是指（结果）变量还是通用寄存器？

3. 约束字符串“Ir”是否代表“立即寄存器”？

Answer 1

1. w 是一个模板修饰符。它使内联汇编包含寄存器的 32 位名称（w0 等），而不是默认的 64 位名称（x0）。请参阅 David Wohlferd 链接的 documentation。你也可以try it，注意如果你写%0而不是%w0，生成的指令使用64位x寄存器。这不是您想要的，因为这些应该是 32 位加载和存储。

2. 两者兼而有之。与 GCC 样式的扩展 asm 一样，%w0 指的是内联 asm 的操作数编号 0（如前所述，w 修饰符使用其 32 位名称）。这是用"=&r" (result) 声明的那个。由于约束是r，这个操作数将被分配一个通用寄存器，并且所有在asm 代码中提到的%0（分别为%w0）都将被替换为该寄存器的名称。在上面的 Godbolt 示例中，编译器选择了 x9（分别为 w9）。

   (result) 表示在 asm 语句之后，编译器应该将 w9 中剩余的内容存储在变量 result 中。它可以通过存储到内存或mov 到用于result 的任何寄存器来执行此操作，或者它可以只在该变量本身中分配result。运气好的话，优化器应该选择后者；并且由于result 没有用于asm 之后的任何内容，因此它不应该对该寄存器做任何进一步的事情。所以实际上，一个输出操作数带有一个之后不使用的变量是一种告诉编译器“请选择一个我可以用作暂存器的寄存器”的方式。

3. 这是两个约束，I 和 r。约束由 GCC 记录：simple 和 machine-specific，当给出多个约束时，编译器可以选择满足其中任何一个。

   I 要求一个适合在 AArch64 add 指令中使用的立即数，即一个 12 位零扩展数，可选地移位 12 位，这是一个编译时常数。如您所知，r 要求提供通用寄存器。因此，如果您编写 atomic_add(1, &c) 或 atomic_add(1+1+1, &c) 或 atomic_add(4095, &c) 或 atomic_add(4096, &c) 中的任何一个，asm 语句的第二行将立即发出 add 指令，并将您的常量直接编码到指令中： add w9, w9, #1 等等。但是，如果您编写atomic_add(4097, &c) 或atomic_add(my_variable, &c)，编译器将在asm 之前生成附加代码，以将适当的值加载到某个寄存器（例如w13）并在asm 中发出add w9, w9, w13。这让编译器可以尽可能生成更有效的即时add，同时通常仍能获得正确的代码。