原子操作

概述

原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”，可以保证指令以原子的方式运行，即执行过程不被打断。

对一个整数的操作可以用原子函数，避免使用互斥锁、自旋锁等锁机制带来的线程阻塞、锁竞争、死锁、优先级反转、性能损耗等问题。

linux内核提供了一套原子操作的函数，比如

static inline int atomic_dec_and_test(atomic_t *v)

函数功能：减一后判断为0则返回true，否则false。这里的减一和判断是否为0为一个原子操作。

竟态问题

原子操作的提出主要是为了解决程序运行过程中的竞态问题，以程序中一个共享全局变量的自加操作count++为例，处理器完成这样一个操作需要三个步骤：

　　1、从内存中读取count变量的值到寄存器中；
　　2、将寄存器中的值加1；
　　3、将寄存器中的值写回到内存中。
这个操作也称为RMW（Read-Modify-Write）。现在假设存在两个执行线程同时在对count（count初始值假设为0）执行自加操作，预期的结果应当是两个线程串行地完成了count的自增操作，count最终的值为2；但在并发场景下，处理器的实际执行序列却可能会是下面这个情况：

之所以会产生上面的情况，原因就是RMW操作本身不具备原子性，它可能会被中断打断或者被并行程序产生的数据竞争影响。为了解决这种问题，就需要让RMW操作成为一个原子操作，这需要硬件提供机制来保证。

单处理器系统下的原子操作

在单处理器(Uni-Processor)系统中，处理器的执行流程只会受到中断机制的影响，由于中断只能发生于指令之间，因此能够在单条指令中完成的操作都可以认为是“原子操作”。单处理器系统实现原子操作的方式有两种：

　　1、提供能完成多步操作的单条指令：这在采用复杂指令集架构的处理器上比较常见，例如x86架构提供的inc指令就可以通过一条指令完成变量的自加操作；
　　2、关中断：处理器中断关闭后，就可以不间断地执行一系列指令，等所有操作完成后再打开中断。

多处理器系统下的原子操作

在多处理器(Multi-Processor)系统中，面临的并发问题要严峻很多，由于系统中有多个处理器在独立地运行，即使是一条指令执行期间也会受到其它处理器的干扰，导致指令执行结果错误。在不同的处理器体系结构下，硬件提供的原子操作实现机制会存在区别。x86架构通过对总线加锁保证只允许一个处理器访问，ARM架构通过独占内存。

CAS原子操作

Compare And Set（或Compare And Swap），CAS是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，采用这种无锁的原子操作可以实现线程安全，避免加锁的笨重性。

CAS操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）、新值(B)。

如果内存位置的值与预期原值相等，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作；最后返回内存位置的值。

CAS是实现自旋锁的基础，CAS 利用 CPU 指令保证了操作的原子性，以达到锁的效果，循环这个指令，直到成功为止。