C++ 递减单字节（易失性）数组的元素不是原子的！为什么？ （另外：我如何在 Atmel AVR mcus/Arduino 中强制原子性）
C++ decrementing an element of a single-byte (volatile) array is not atomic! WHY? (Also: how do I force atomicity in Atmel AVR mcus/Arduino)
我只是浪费了几天，从字面上看，大约 25 个小时的工作，因为我试图通过一些我不知道的简单事情来调试我的代码。
事实证明，在 AVR ATmega328 8 位微控制器 (Arduino) 上，在 C++ 中递减单字节数组的元素不是原子操作，需要原子访问保护（即关闭中断）。为什么是这样？？？此外，确保对 Atmel AVR 微控制器上的变量进行原子访问的所有 C 技术有哪些？
这是我所做的简化版本：
//global vars:
const uint8_t NUM_INPUT_PORTS = 3;
volatile uint8_t numElementsInBuf[NUM_INPUT_PORTS];
ISR(PCINT0_vect) //external pin change interrupt service routine on input port 0
{
//do stuff here
for (uint8_t i=0; i<NUM_INPUT_PORTS; i++)
numElementsInBuf[i]++;
}
loop()
{
for (uint8_t i=0; i<NUM_INPUT_PORTS; i++)
{
//do stuff here
numElementsInBuf[i]--; //<--THIS CAUSES ERRORS!!!!! THE COUNTER GETS CORRUPTED.
}
}
这是适合的循环版本：
loop()
{
for (uint8_t i=0; i<NUM_INPUT_PORTS; i++)
{
//do stuff here
noInterrupts(); //globally disable interrupts
numElementsInBuf[i]--; //now it's ok...30 hrs of debugging....
interrupts(); //globally re-enable interrupts
}
}
注意“原子访问保护”，即：在递减之前禁用中断，然后在递减之后重新启用它们。
因为我在这里处理的是单个字节，所以我不知道我需要原子访问保护。为什么在这种情况下我需要它们？这是典型的行为吗？我知道如果这是一个 2 字节值的数组我会需要它们，但为什么是 1 字节值？？？？通常对于 1 字节的值，这里不需要原子访问保护...
更新：阅读此处的“原子访问”部分：http://www.gammon.com.au/interrupts。这是一个很好的来源。
相关（STM32 mcus的答案）：
所以我们知道在AVR 8位mcus上读取或写入任何单字节变量是一个原子操作，但是STM32 32位mcus呢？ STM32上哪些变量有自动原子读写？答案在这里：.
我不太了解 Arduino 和中断，所以我可能不会在这里回答你的特定问题，但在多线程环境中使用 -- 和 ++ 递减和递增从来都不是原子的。此外，volatile 在 C++ 中通常也不表示 atomic（proof）。虽然我知道 volatile 在您对微控制器进行编程时很有意义，但我怀疑我的回答可能不适用于您的情况。
如果将 volatile uint8_t 的数组替换为三个单独的 volatile uint8_t 是否有效？
The ALU supports arithmetic and logic operations between registers or between a constant and a register
它没有提到 ALU 能够直接对内存位置进行操作。所以为了减少一个值，这意味着处理器必须执行几个操作：
- 将值加载到寄存器
- 递减寄存器
- 将值存储回去
因此减量操作不是原子的，除非你做了一些特殊的事情让它成为原子，比如禁用中断。这种 read/modify/write 要求可能比更新内存更常见。
如何使操作成为原子操作的细节取决于平台。较新版本的 C 和 C++ 标准明确支持原子操作；我不知道 ATmega 的工具链是否支持这些更新的标准。
好的，“为什么 incrementing/decrementing 单字节变量不是原子变量？”的答案, and .
在这里回答得很好
既然我得到了 -- 递减和 ++ 递增操作永远不是原子的答案，即使在字节值上完成（参见上面的答案和 Nick Gammon's link here），我'我想确保后续问题 我如何 是否在 Atmel AVR 微控制器上强制原子性也得到回答，因此这个问题在某种程度上成为一种资源：
以下是我所知道的在 Atmel AVR 微控制器（例如 Arduino）中强制执行原子性的所有技术：
1）方案一（首选方法）：
uint8_t SREG_bak = SREG; //save global interrupt state
noInterrupts(); //disable interrupts (for Arduino only; this is an alias of AVR's "cli()")
//atomic variable-access code here
SREG = SREG_bak; //restore interrupt state
2) 选项 2（不太安全，不推荐的方法，因为如果您不小心在内部调用的代码块或库中使用这种方法，它可能会导致您无意中启用嵌套中断一个 ISR):
noInterrupts(); //disable interrupts (Arduino only; is an alias to AVR's "cli()" call)
//atomic variable-access code here
interrupts(); //enable interrupts (Arduino only; is an alias to AVR's "sei()" call)
备选方案 2：
cli(); //clear (disable) interrupts flag; noInterrupts() is simply a macro for this
//atomic variable-access code here
sei(); //set (enable) interrupts flag; interrupts() is simply a macro for this
3) 选项 3（与选项 1 基本相同；只是使用 avr-libc 库中的宏代替，当然在大括号内应用变量范围）
来源：http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html
#include <util/atomic.h> //(place at top of code)
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE)
{
//atomic access code here
}
相关：
- [我的问答]
- https://stm32f4-discovery.net/2015/06/how-to-properly-enabledisable-interrupts-in-arm-cortex-m/
- ***** [我的回答] Which Arduinos support ATOMIC_BLOCK? [and how can I duplicate this concept in C with
__attribute__((__cleanup__(func_to_call_when_x_exits_scope))) and in C++ with class constructors and destructors?]
- 关于如何在 STM32 微控制器 中执行此操作，请在此处查看我的回答：What are the various ways to disable and re-enable interrupts in STM32 microcontrollers in order to implement atomic access guards?
我只是浪费了几天，从字面上看，大约 25 个小时的工作，因为我试图通过一些我不知道的简单事情来调试我的代码。
事实证明，在 AVR ATmega328 8 位微控制器 (Arduino) 上，在 C++ 中递减单字节数组的元素不是原子操作，需要原子访问保护（即关闭中断）。为什么是这样？？？此外，确保对 Atmel AVR 微控制器上的变量进行原子访问的所有 C 技术有哪些？
这是我所做的简化版本：
//global vars:
const uint8_t NUM_INPUT_PORTS = 3;
volatile uint8_t numElementsInBuf[NUM_INPUT_PORTS];
ISR(PCINT0_vect) //external pin change interrupt service routine on input port 0
{
//do stuff here
for (uint8_t i=0; i<NUM_INPUT_PORTS; i++)
numElementsInBuf[i]++;
}
loop()
{
for (uint8_t i=0; i<NUM_INPUT_PORTS; i++)
{
//do stuff here
numElementsInBuf[i]--; //<--THIS CAUSES ERRORS!!!!! THE COUNTER GETS CORRUPTED.
}
}
这是适合的循环版本：
loop()
{
for (uint8_t i=0; i<NUM_INPUT_PORTS; i++)
{
//do stuff here
noInterrupts(); //globally disable interrupts
numElementsInBuf[i]--; //now it's ok...30 hrs of debugging....
interrupts(); //globally re-enable interrupts
}
}
注意“原子访问保护”，即：在递减之前禁用中断，然后在递减之后重新启用它们。
因为我在这里处理的是单个字节，所以我不知道我需要原子访问保护。为什么在这种情况下我需要它们？这是典型的行为吗？我知道如果这是一个 2 字节值的数组我会需要它们，但为什么是 1 字节值？？？？通常对于 1 字节的值，这里不需要原子访问保护...
更新：阅读此处的“原子访问”部分：http://www.gammon.com.au/interrupts。这是一个很好的来源。
相关（STM32 mcus的答案）：
所以我们知道在AVR 8位mcus上读取或写入任何单字节变量是一个原子操作，但是STM32 32位mcus呢？ STM32上哪些变量有自动原子读写？答案在这里：
我不太了解 Arduino 和中断，所以我可能不会在这里回答你的特定问题，但在多线程环境中使用 -- 和 ++ 递减和递增从来都不是原子的。此外，volatile 在 C++ 中通常也不表示 atomic（proof）。虽然我知道 volatile 在您对微控制器进行编程时很有意义，但我怀疑我的回答可能不适用于您的情况。
如果将 volatile uint8_t 的数组替换为三个单独的 volatile uint8_t 是否有效？
The ALU supports arithmetic and logic operations between registers or between a constant and a register
它没有提到 ALU 能够直接对内存位置进行操作。所以为了减少一个值，这意味着处理器必须执行几个操作：
- 将值加载到寄存器
- 递减寄存器
- 将值存储回去
因此减量操作不是原子的，除非你做了一些特殊的事情让它成为原子，比如禁用中断。这种 read/modify/write 要求可能比更新内存更常见。
如何使操作成为原子操作的细节取决于平台。较新版本的 C 和 C++ 标准明确支持原子操作；我不知道 ATmega 的工具链是否支持这些更新的标准。
好的，“为什么 incrementing/decrementing 单字节变量不是原子变量？”的答案
既然我得到了 -- 递减和 ++ 递增操作永远不是原子的答案，即使在字节值上完成（参见上面的答案和 Nick Gammon's link here），我'我想确保后续问题 我如何 是否在 Atmel AVR 微控制器上强制原子性也得到回答，因此这个问题在某种程度上成为一种资源：
以下是我所知道的在 Atmel AVR 微控制器（例如 Arduino）中强制执行原子性的所有技术：
1）方案一（首选方法）：
uint8_t SREG_bak = SREG; //save global interrupt state
noInterrupts(); //disable interrupts (for Arduino only; this is an alias of AVR's "cli()")
//atomic variable-access code here
SREG = SREG_bak; //restore interrupt state
2) 选项 2（不太安全，不推荐的方法，因为如果您不小心在内部调用的代码块或库中使用这种方法，它可能会导致您无意中启用嵌套中断一个 ISR):
noInterrupts(); //disable interrupts (Arduino only; is an alias to AVR's "cli()" call)
//atomic variable-access code here
interrupts(); //enable interrupts (Arduino only; is an alias to AVR's "sei()" call)
备选方案 2：
cli(); //clear (disable) interrupts flag; noInterrupts() is simply a macro for this
//atomic variable-access code here
sei(); //set (enable) interrupts flag; interrupts() is simply a macro for this
3) 选项 3（与选项 1 基本相同；只是使用 avr-libc 库中的宏代替，当然在大括号内应用变量范围）
来源：http://www.nongnu.org/avr-libc/user-manual/group__util__atomic.html
#include <util/atomic.h> //(place at top of code)
ATOMIC_BLOCK(ATOMIC_RESTORESTATE)
{
//atomic access code here
}
相关：
- [我的问答]
- https://stm32f4-discovery.net/2015/06/how-to-properly-enabledisable-interrupts-in-arm-cortex-m/
- ***** [我的回答] Which Arduinos support ATOMIC_BLOCK? [and how can I duplicate this concept in C with
__attribute__((__cleanup__(func_to_call_when_x_exits_scope)))and in C++ with class constructors and destructors?] - 关于如何在 STM32 微控制器 中执行此操作，请在此处查看我的回答：What are the various ways to disable and re-enable interrupts in STM32 microcontrollers in order to implement atomic access guards?