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musl libcのアトミックCAS実装

目次: C言語とlibc

OSSのlibc実装の一つであるmusl libcのアトミックCAS（Compare And Swap）の実装を調べたメモです。CASはa_cas(p, t, s)関数に実装されていて、ポインタpの指す先の値がtなら、アトミックにsと入れ替える関数です。調べるのはRISC-V用の実装です。

コンパイラが提供するアトミック関数実装（stdatomic.h）は使わないみたいです。musl libc独自の実装となっています。

// musl/arch/riscv64/atomic_arch.h

#define a_cas a_cas
static inline int a_cas(volatile int *p, int t, int s)
{
	int old, tmp;
	__asm__ __volatile__ (
		"\n1:   lr.w.aqrl %0, (%2)\n"
		"       bne %0, %3, 1f\n"
		"       sc.w.aqrl %1, %4, (%2)\n"
		"       bnez %1, 1b\n"
		"1:"
		: "=&r"(old), "=&r"(tmp)
		: "r"(p), "r"((long)t), "r"((long)s)
		: "memory");
	return old;
}

RISC-V向けの実装はLR/SC（Load and Reserve, Store Conditional）という仕組みを使い実装されています。RISC-V以外のアーキテクチャでも良く見かける機能で、見たことある方も多いと思います。LRはLL（Load Link）という名前のこともあるようです。

コードはたった4行です、1行ずついきましょう。

• 1行目: pの指す先を予約付きロードします。ロードした値は変数oldに格納されます。
• 2行目: ロードした値がtでなければ終了します。
• 3行目: ロードした値がtならばpの指す先にsを条件付きストアします。
• 4行目: 条件付きストアが成功したら終了、失敗したら1行目に戻ります。

条件付きストアは、予約付きロードから条件付きストア間にpの指す先を誰も変更していない場合のみストアが成功します。pの指す先の値がsに変化します（tmpには0が返されます）。

もし予約付きロードから条件付きストアの間に誰かがpの指す先を変更していた場合はストアが失敗します。pの指す先の値は変化しません（tmpには0以外の値が返されます）。