【多线程】什么是原子操作(Atomic Operation)?

【多线程】什么是原子操作(Atomic Operation)?

本文来自于我关于多线程系列文章。欢迎阅读、点评与交流
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8.【多线程】什么是原子操作(Atomic Operation)?

原子操作(Atomic Operation) 是一个非常核心的计算机概念，涉及到并发编程的底层基础。我们来详细拆解一下。

1. 原子操作是什么？

简单来说，原子操作是一个不可分割的操作。在执行过程中，它要么完全执行成功，要么完全没执行，不会出现执行到一半被中断的情况，外界也看不到中间状态。

你可以把它想象成一个“瞬间完成”的操作。

一个经典的非原子操作例子： i++
这个看似简单的语句，在CPU层面通常需要三个步骤：

1. 读取：从内存中读取变量 i 的值到寄存器。
2. 修改：在寄存器中将值加一。
3. 写入：将新值写回内存。

在单线程环境下，这没问题。但在多线程或多核环境下，问题就来了：

• 线程 A 读取 i 的值为 10。
• 线程 A 将值加一，变成 11（还在寄存器中，未写回）。
• 此时，线程 B 被调度，它读取 i 的值，仍然是 10。
• 线程 B 将值加一，变成 11（寄存器中）。
• 线程 B 将 11 写回内存。
• 线程 A 被重新调度，也将 11 写回内存。

最终结果 i 等于 11，但两个线程各执行了一次 i++，我们期望的结果应该是 12。这就是因为 i++ 不是原子操作，导致了数据竞争。

原子操作的例子： 使用原子加操作。
如果 fetch_add 是一个原子操作，那么整个“读取-修改-写入”序列会被捆绑成一个不可分割的单元。

• 线程 A 开始执行原子加操作。它会“锁定”这个变量（注意，这里的锁定是硬件层面的机制，不是软件互斥锁）。
• 在线程 A 完成整个操作（读取、加一、写入）之前，线程 B 无法访问或修改这个变量。
• 线程 A 完成后，i 变为 11。
• 线程 B 开始执行原子加操作，读取到的值是 11，加一后变为 12 并写回。

最终结果 i 等于 12，符合预期。

原子操作的核心特性：

• 不可分割性：操作要么全做，要么不做。
• 顺序性：原子操作本身是内存屏障的一种，能保证指令执行顺序，避免编译器或CPU的指令重排优化带来问题。

2. 底层是如何实现的？

原子操作的实现不依赖于操作系统或编程语言提供的锁（如 mutex），因为锁本身的实现又需要原子操作。这是一个“先有鸡还是先有蛋”的问题。原子操作的基石是硬件支持，主要是CPU提供的指令。

实现方式可以分为两大类：

方式一：单核处理器

在单核CPU上，实现原子操作相对简单。因为同一时刻只有一个线程在执行（宏观并行，微观串行）。只需要保证在执行原子操作的指令序列期间不被中断即可。

• 实现方法：在执行关键的几条指令之前关闭中断，执行完毕后再打开中断。这样，操作系统就无法通过时钟中断来剥夺当前CPU的执行权，从而不会发生线程/进程切换，保证了操作的原子性。

方式二：多核处理器

这是现代计算机的常态，也是复杂性的来源。关闭一个核心的中断无法阻止其他核心同时访问同一块内存。

核心机制：基于总线锁和缓存一致性协议（MESI）。

1. 总线锁（Bus Locking） - 古老而有效的方法

• 原理：CPU在执行原子操作时，会发出一个 LOCK# 信号。这个信号会锁住整个内存总线（或后来的缓存总线）。
• 效果：在锁住总线期间，其他所有处理器（核心）都无法通过总线访问内存。这就强制实现了原子性，因为只有当前处理器能访问内存。
• 缺点：开销巨大。它阻止了所有其他处理器访问任何内存，即使它们访问的是无关的内存地址，严重影响了系统性能。这是一种“伤及无辜”的粗粒度锁。

2. 缓存锁（Cache Locking） - 现代主流方法

• 基础：缓存一致性协议（MESI）
  现代CPU每个核心都有自己的高速缓存。为了保持多个缓存中数据的一致性，CPU实现了MESI这样的协议。MESI代表了缓存行的四种状态：

  • M（Modified，修改）：缓存行是脏的，与主内存不一致，只存在于当前缓存中。
  • E（Exclusive，独占）：缓存行是干净的，与主内存一致，只存在于当前缓存中。
  • S（Shared，共享）：缓存行是干净的，与主内存一致，可能存在于多个缓存中。
  • I（Invalid，无效）：缓存行中的数据是无效的。

• 原理：当某个CPU核心要对一个变量进行原子操作时：

  • 如果该变量所在的缓存行处于 E（独占） 或 M（修改） 状态，说明当前核心是唯一持有该缓存行最新数据的核心。
  • 此时，CPU核心可以直接在它的缓存上执行原子操作（如CMPXCHG，比较并交换），而无需声明总线锁。操作完成后，缓存行变为M状态。
  • 如果变量处于 S（共享） 状态，说明其他核心也可能有这份数据的副本。
  • 当前核心会通过缓存一致性协议，向所有其他核心发送一个 “RFO（Request For Ownership）” 请求。
  • 这个请求会强制其他核心将它们对应的缓存行标记为 I（无效）。
  • 当当前核心收到所有响应后，它就获得了对该缓存行的独占权，然后就可以安全地执行原子操作了。

  这个过程，从效果上看，相当于“锁定”了特定内存地址所在的缓存行，而不是整个总线。粒度更细，性能更高。

具体的原子指令：
CPU提供了一些直接支持原子操作的机器指令，最常见的包括：

• CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）：这是实现各种高级同步原语（如锁、无锁数据结构）的基石。它会先比较某个内存位置的值是否与预期值相等，如果相等，则存入新值。
• LL/SC（Load-Link / Store-Conditional，链接加载/条件存储）：这是一对指令。LL 从内存加载值，SC 会尝试向同一地址写入新值，但只有在从 LL 到 SC 期间该地址未被其他写入修改过时，写入才会成功。

编程语言（如C++的 std::atomic，Java的 java.util.concurrent.atomic 包）和操作系统API最终都会将这些原子指令封装成易用的函数供开发者调用。

总结

特性	原子操作	互斥锁（Mutex）
实现层级	硬件指令（CPU）	操作系统内核（软件）
粒度	很细，针对单个内存地址	较粗，保护一个临界区代码
开销	非常低，通常由缓存一致性协议保证	较高，需要陷入内核态，可能引起线程挂起和调度
应用场景	简单的计数器、标志位、无锁数据结构	保护复杂的逻辑代码块或数据结构
关系	是实现互斥锁的基础	在原子操作（如CAS）之上实现

简单来说，原子操作是CPU提供的一种硬件能力，通过总线锁或更高效的缓存锁（基于MESI协议）来保证对单一内存单元的“读-改-写”操作不可分割。 它是构建一切高级并发控制工具的基石。