原子操作

1定义​​一个操作是原子的(atomic)，如果这个操作所处的层(layer)的更高层不能发现其内部实现与结构。​​

2简介

在 ​​多进程​​​（ ​​​线程​​​）访问资源时，能够确保所有其他的进程（线程）都不在同一时间内访问相同的资源。 ​​​原子操作​​​（atomic operation）是不需要synchronized，这是Java多线程编程的老生常谈了。所谓原子操作是指不会被 ​​​线程调度​​机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。通常所说的原子操作包括对非long和double型的primitive进行赋值，以及返回这两者之外的primitive。之所以要把它们排除在外是因为它们都比较大，而JVM的设计规范又没有要求读操作和赋值操作必须是原子操作（JVM可以试着去这么作，但并不保证）。

3特性

原子操作是不可分割的，在执行完毕之前不会被任何其它任务或事件中断。在单处理器系统（ UniProcessor）中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是" 原子操作"，因为中断只能发生于指令之间。这也是某些CPU ​​指令系统​​​中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于 ​​​临界资源​​互斥的原因。但是，在对称多处理器（ Symmetric Multi-Processor）结构中就不同了，由于系统中有多个处理器在独立地运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。我们以decl （递减指令）为例，这是一个典型的"读－改－写"过程，涉及两次内存访问。设想在不同CPU运行的两个进程都在递减某个计数值，可能发生的情况是：

⒈ CPU A(CPU A上所运行的进程，以下同）从内存单元把当前计数值⑵装载进它的寄存器中；

⒉ CPU B从内存单元把当前计数值⑵装载进它的寄存器中。

⒊ CPU A在它的寄存器中将计数值递减为1；

⒋ CPU B在它的寄存器中将计数值递减为1；

⒌ CPU A把修改后的计数值⑴写回内存单元。

⒍ CPU B把修改后的计数值⑴写回内存单元。

我们看到，内存里的计数值应该是0，然而它却是1。如果该计数值是一个共享资源的 ​​引用计数​​，每个进程都在递减后把该值与0进行比较，从而确定是否需要释放该共享资源。这时，两个进程都去掉了对该共享资源的引用，但没有一个进程能够释放它--两个进程都推断出：计数值是1，共享资源仍然在被使用。

4硬件支持

原子性不可能由软件单独保证--必须需要硬件的支持，因此是和架构相关的。 在x86 平台上，CPU提供了在指令执行期间对 ​​总线​​​加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把 ​​​总线​​锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。

5Linux

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原子操作大部分使用汇编语言实现，因为c语言并不能实现这样的操作。

* 在x86的原子操作实现代码中，定义了LOCK宏，这个宏可以放在随后的 ​​内联汇编​​​指令之前。如果是SMP，LOCK宏被扩展为lock指令；否则被定义为空 -- 单CPU无需防止其它CPU的干扰，锁内存 ​​​总线​​完全是在浪费时间。

#ifdef CONFIG_SMP

#define LOCK "lock ; "

#else

#define LOCK ""

#endif

* typedef struct { volatile int counter; } atomic_t;

在所有支持的 ​​体系结构​​上原子类型atomic_t都保存一个int值。在x86的某些处理器上，由于工作方式的原因，原子类型能够保证的可用范围只有24位。 volatile是一个类型描述符，要求 ​​编译器​​不要对其描述的对象作优化处理，对它的读写都需要从内存中访问。

* #define ATOMIC_INIT(i) { (i) }

用于在定义原子 ​​变量​​时，初始化为指定的值。如：

static atomic_t count = ATOMIC_INIT⑴；

* static __inline__ void atomic_add(int i,atomic_t *v)

将v指向的原子 ​​变量​​​加上i。该函数不关心原子 ​​​变量​​的新值，返回void类型。

6格式

在下面的实现中，使用了带有C/C++ ​​表达式​​​的 ​​​内联汇编​​代码，格式如下（参考《AT&T ASM Syntax》）：

__asm__ __volatile__("Instruction List" : Output : Input : Clobber/Modify);

__asm__ __volatile__指示 ​​编译器​​​原封不动保留 ​​​表达式​​​中的 ​​​汇编指令​​系列，不要考虑优化处理。涉及的约束还包括：

⒈ 等号约束（=）：只能用于输出操作表达式约束，说明括号内的 ​​左值​​表达式v->counter是write-only的。

⒉ 内存约束（m）：表示使用不需要借助寄存器，直接使用内存方式进行输入或输出。

⒊ 立即数约束（i）：表示输入 ​​表达式​​是一个立即数（整数），不需要借助任何寄存器。

⒋ 寄存器约束（r）：表示使用一个 ​​通用寄存器​​，由GCC在%eax/%ax/%al、%ebx/%bx/%bl、%ecx/%cx/%cl和%edx/%dx/%dl中选取一个合适的。

7相关程序

{

__asm__ __volatile__(

LOCK "addl %1,%0"

："=m" (v->counter)

："ir" (i),"m" (v->counter));

}

* static __inline__ int atomic_sub_and_test(int i,atomic_t *v)

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从v 指向的原子变量减去i，并测试是否为0。若为0，返回真，否则返回假。由于x86的subl指令会在结果为0时设置CPU的zero标志位，而且这个标志位是CPU私有的，不会被其它CPU影响。因此，可以执行一次加锁的减操作，再根据CPU的zero标志位来设置本地变量c，并相应返回。

{

unsigned char c;

__asm__ __volatile__(

LOCK "subl %2,%0; sete %1"

："=m" (v->counter),"=qm" (c)

："ir" (i),"m" (v->counter) : "memory");

return c;

}

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#define atomic_read(v) ((v)->counter)

读取v指向的原子 ​​变量​​的值。

#define atomic_set(v,i) (((v)->counter) = (i))

设置v指向的原子 ​​变量​​的值为i。

static __inline__ void atomic_sub(int i,atomic_t *v)

从v指向的原子变量减去i。

static __inline__ void atomic_inc(atomic_t *v)

递增v指向的原子变量。

static __inline__ void atomic_dec(atomic_t *v)

递减v指向的原子变量。

static __inline__ int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)

递减v指向的原子变量，并测试是否为0。若为0，返回真，否则返回假。

static __inline__ int atomic_inc_and_test(atomic_t *v)

递增v指向的原子变量，并测试是否为0。若为0，返回真，否则返回假。

static __inline__ int atomic_add_negative(int i,atomic_t *v)

将v指向的原子变量加上i，并测试结果是否为负。若为负，返回真，否则返回假。这个操作用于实现semaphore。