关于__sync_bool_compare_and_swap的使用及在多核多线程下使用时的思考
__sync_bool_compare_and_swap这是一个非常重要的原子操作函数，通常简称为 CAS。它在多线程编程、无锁数据结构、操作系统内核中扮演核心角色。
原型及作用
c
bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval, type newval, ...)
功能：（原子性地（Atomic）执行以下操作）
读取指针 ptr 指向的内存位置的值。
将这个值与期望值 oldval 进行比较。
如果相等，则将 newval 写入到这个内存位置，并返回 true。
如果不相等，则不做任何写操作，并返回 false。
参数：
ptr：指向需要操作的内存地址的指针。
oldval：期望该内存地址当前持有的值。
newval：如果当前值等于 oldval，你想要写入的新值。
返回值：
true：比较成功，并且新值 newval 已经被写入。
false：比较失败，当前值不等于 oldval，内存中的值保持不变。
注意事项
GCC 内置函数：_sync* 系列是 GCC 提供的内置原子操作函数。在现代 C/C++ 中，更推荐使用 C11（<stdatomic.h>）或 C++11（）标准库中的原子变量和操作，它们可移植性更好。
内存顺序：像 __sync_bool_compare_and_swap 这样的操作通常附带 “完整的内存屏障”，这意味着在 CAS 操作之前的所有内存读写操作都不会被重排到 CAS 之后，反之亦然。这保证了多线程环境下内存访问顺序的一致性。
平台支持：它需要硬件（CPU）的支持。常见的现代处理器架构（x86/x86-64, ARM, PowerPC）都有对应的 CAS 指令
思考的一个问题：__sync_bool_compare_and_swap 多线程环境下，这个接口同一时刻间只能被一个线程调用吗
实际上不是只能被一个线程调用。恰恰相反，它被设计为可以在同一时刻被多个线程同时调用，并且这正是它存在的意义。
核心原理：硬件保证的原子性
__sync_bool_compare_and_swap (CAS) 是一个原子操作。这意味着即使多个线程同时对它同一个内存地址发起调用，CPU 也会确保这些操作是串行化的——即一个接一个地执行，不会交错在一起。
每个 CAS 操作在执行时，对内存的“读取-比较-写入”这一系列动作是不可分割的单一指令。硬件（CPU）会通过缓存锁定或总线锁定等机制来保证在执行这个操作时，其他核心无法访问相关的内存地址。
多线程同时调用的行为与结果
假设多个线程同时执行 __sync_bool_compare_and_swap(&value, old, new)：它们都会成功“调用”这个函数：从软件层面看，所有线程的代码都执行到了这一行。
但是CPU 会安排它们排队执行：硬件会确保这些并发的 CAS 请求不会同时作用于内存，而是由一个核心先执行，完成后另一个再执行，依此类推。只有一个线程会“成功”。
在这些被串行执行的 CAS 操作中，第一个获得执行权的线程会进行检查。如果 value == old，它会将 value 设置为 new 并返回 true。
后续的线程再执行 CAS 时，它们会发现 value 已经被之前的线程修改了（不再等于它们传入的 old 值），因此它们的操作会失败并返回 false。
缓存锁定（Cache Locking） 和 总线锁定（Bus Locking） 是 CPU 用来实现原子操作（如 __sync_bool_compare_and_swap）的两种底层硬件机制。它们确保了在多核环境下，对一个内存位置的“读-改-写”操作看起来是瞬间完成的、不可分割的。
想象一下，你和几位同事需要修改一个共享的在线文档（比如 Google Docs 里的一个数字）。
总线锁定（Bus Locking）：这就像是为了修改这个数字，你锁定了整个文档。在你完成修改、保存并解锁之前，其他所有人都无法编辑文档里的任何一个部分，即使他们想改的是完全不同的地方。这非常安全，但效率极低，因为它阻塞了所有其他人。
缓存锁定（Cache Locking）：现代的在线文档更智能。它允许你和你同事同时编辑文档的不同部分。当你想要修改那个数字时，系统只会锁定那一行或那个单元格。你的同事仍然可以自由地编辑文档的其他部分。只有当你和其他人同时想修改同一个单元格时，系统才会进行协调，让一个人先完成，另一个人后完成。这高效得多。
在这个比喻中：
共享文档 = 计算机的主内存（RAM）
文档的不同部分 = 内存中的不同地址
你和你的同事 = 不同的 CPU 核心
锁定整个文档 = 总线锁定
只锁定一个单元格 = 缓存锁定
1. 总线锁定 (Bus Locking) - 老式但可靠的方法
这是早期多核处理器的实现方式。当某个 CPU 核心需要执行一个原子操作时，它会通过在系统总线上发出一个 LOCK# 信号来锁定整个内存总线。
如何工作：
CPU 核心在执行原子指令前发出 LOCK# 信号。
这个信号会阻止其他所有核心访问任何内存位置（严格来说，是穿过总线去访问内存）。
该核心独占地、不受干扰地完成它的原子操作（读-改-写）。
操作完成后，解除 LOCK# 信号，其他核心才能继续访问内存。
缺点：
性能杀手：它导致了巨大的性能瓶颈。即使两个核心操作的是毫不相干的内存地址，一旦一个核心锁定了总线，其他所有核心都必须停下来等待，就像交通中的红灯让所有方向的车都停下一样。
可扩展性差：随着 CPU 核心数量的增加，这种锁竞争会严重拖慢整个系统的速度。
2. 缓存锁定 (Cache Locking) - 现代高效的方法
是什么：这是现代处理器采用的、更高效的机制。它利用了 CPU 的 缓存一致性协议（最常见的是 MESI 及其变种）。
如何工作：
要操作的内存数据通常已经存在于执行操作的 CPU 核心的缓存行中。
当该核心要执行原子操作时，它不需要锁定整个总线，而是利用缓存一致性协议来“锁定”特定的缓存行。
核心通过缓存一致性协议，将自身缓存行的状态置为 “独占” 或 “修改” 态。这意味着它是唯一拥有该数据最新副本的核心。
然后它就可以安全地在自己的缓存里执行原子操作。因为其他核心的对应缓存行会通过协议被标记为“无效”，它们如果想读或写这个数据，必须先向这个核心请求最新的数据，从而被迫等待原子操作完成。
操作完成后，核心将数据写回缓存（可能也会写回主内存），并更新缓存行的状态。其他核心的请求随后得到处理。
优点：
高并发：不同核心可以同时原子地操作位于不同缓存行的内存地址，互不干扰。
高性能：操作发生在高速的缓存中，避免了频繁访问慢速的主内存。
可扩展性好：非常适合多核处理器。
CPU 执行这条指令时，会根据情况自动选择使用缓存锁定还是总线锁定：
如果操作的内存地址完全包含在一个缓存行内，CPU 会使用高效的缓存锁定。
如果操作的内存地址跨越了两个缓存行（即缓存行不对齐），CPU 无法仅锁定一个缓存行，它就会退回到老式的、性能较差的总线锁定来保证原子性。
这就是为什么在多线程编程中，强调内存对齐非常重要，它不仅能提高访问效率，还能确保原子操作使用最优的硬件机制。
总而言之，缓存锁定和总线锁定是硬件为实现软件层“原子操作”这一抽象概念而提供的两种底层保障机制，其中缓存锁定是现代CPU高效并发的基础。