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原子操作（Atomic Operation）是指不可被中断的操作——要么完整执行，要么完全不执行

news 2025/9/4 8:01:08

在计算机科学中，原子操作（Atomic Operation） 是指不可被中断的操作——要么完整执行，要么完全不执行，在操作过程中不会被其他线程或进程打断。这种特性确保了多线程环境下对共享资源的操作不会中间状态，从而避免竞态条件（Race Condition）。

核心特点

不可分割性：操作的所有步骤作为一个整体完成，不会被任何外部事件（如线程调度、中断）拆分。
无中间状态：其他线程只能看到操作执行前或执行后的状态，看不到执行过程中的临时状态。
硬件支持：通常由CPU的原子指令（如带锁前缀的汇编指令）提供底层支持，而非纯软件实现。

为什么需要原子操作？

在多线程场景中，看似简单的操作（如 count++）实际包含多个步骤（读取→修改→写入），若被其他线程打断，会导致数据不一致：

int count = 0;// 线程1执行
count++;  // 步骤1：读取count=0 → 步骤2：+1 → 步骤3：写入1// 线程2执行（若在线程1步骤1后、步骤3前被调度）
count++;  // 同样读取到0，最终结果可能为1（错误），而非预期的2

原子操作通过将这三步合并为一个不可分割的指令，确保上述情况不会发生。

原子操作的实现方式

硬件层面：
CPU提供原子指令（如x86的 LOCK 前缀指令），执行时会锁定总线或缓存，阻止其他CPU核心同时访问该内存地址。例如：
- LOCK INC [count]：原子递增内存中的 count 值。
- LOCK CMPXCHG：原子比较并交换（Compare-and-Swap，CAS）操作。
软件层面：
编程语言或库通过封装硬件原子指令，提供高层接口（如C11的 <stdatomic.h>、C++的 std::atomic、Linux的 atomic_t）。

常见原子操作类型

原子读写：对变量的读取或写入操作是原子的（如32位整数的读写在多数CPU上天然是原子的）。
原子修改：
- 自增（atomic_inc）、自减（atomic_dec）
- 加法（atomic_add）、减法（atomic_sub）
- 比较并交换（CAS：Compare-And-Swap）：若当前值等于预期值，则更新为新值，返回操作是否成功。
原子位操作：对变量的特定位进行原子置位、清零或翻转。

代码示例（C语言，使用C11标准）

#include <stdatomic.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>// 定义原子变量（int类型）
atomic_int count = 0;// 线程函数：原子递增count
void *thread_func(void *arg) {for (int i = 0; i < 10000; i++) {// 原子自增操作（不可分割）atomic_fetch_add(&count, 1);}return NULL;
}int main() {pthread_t tid1, tid2;pthread_create(&tid1, NULL, thread_func, NULL);pthread_create(&tid2, NULL, thread_func, NULL);pthread_join(tid1, NULL);pthread_join(tid2, NULL);// 输出结果一定是20000（无竞态条件）printf("count = %d\n", atomic_load(&count));return 0;
}

说明：
atomic_fetch_add 会将 count 原子递增1，替代了非原子的 count++，确保两个线程并发操作的正确性。

原子操作 vs 互斥锁

特性	原子操作	互斥锁（Mutex）
粒度	单个变量的简单操作（如增减、赋值）	任意代码块（临界区）
性能	极高（仅需硬件指令，无上下文切换）	较低（可能导致线程阻塞/唤醒）
适用场景	简单数值操作（计数、标记位）	复杂操作（如链表修改、多变量更新）
实现依赖	硬件指令支持	操作系统或库实现

注意事项

适用范围有限：原子操作仅适用于简单的变量操作，无法保护复杂的代码块（如多步逻辑、链表操作）。
类型限制：通常只支持整数、指针等基本类型，不直接支持结构体等复杂类型。
内存顺序：高级原子操作需考虑内存可见性（如C11的内存序：memory_order_seq_cst、memory_order_acquire等），确保多线程间的数据同步。