原子操作的原理和本质

本文重点：

概念：原子操作
内容：原子操作的本质和实现

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基本概念：

分解概念：涉及的知识点
1、 并行和并发
2、 如何保证操作的原子性
3、 cache一致性
4、 原子操作的实现-软件
5、 原子操作的实现-硬件

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详细解释：

1、 并行和并发

原子（atomic）：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”。

并发：单核cpu上，当多个线程在在操作时，把cpu运行时间划分为若干时间段，再将时间段分配给各个线程执行，在一个时间段的线程代码运行时，其他线程处于挂起状态。

并行：多核cpu上，当一个核心处理器执行一个线程时，另一个核心处理器可以同时执行这个线程。

2、 如何保证操作的原子性

（1）使用总线锁保证原子性
（2）使用缓存锁保证原子性

3、 cache一致性
缓存一致性主要是通过MESI协议实现。
4、 原子操作的实现-软件
所谓的锁，本质上只是内存中的一个整形数，不同的数值表示不同的状态，比如1表示空闲状态和加锁状态。加锁时，判断锁是否空闲，如果空闲，修改为加锁状态，返回成功，如果已经上锁，返回失败，解锁时，就把锁状态修改为空闲状态。
我们可以把上锁的过程具体表示为：

• 读内存表示锁的变量

• 判断锁的状态

• 如果已经加锁，返回失败

• 否则把锁设置为上锁状态， 返回成功

  上面的每一个步骤都对应一条汇编语句，可以认为这每一步操作都是原子的，什么情况会导致两个线程同时获取到锁？
  中断： 当线程A执行完第一步后，发生了中断，os调度线程B，线程B也来加锁并且加锁成功，此时又发生中断，OS调度线程A执行，从第二步开始，也加锁成功。
  多核： 见上面例子。
  那么怎么解决呢？ 能不能让硬件做一种加锁的原子操作呢？ 大名鼎鼎的“test and set”指令就是做这个事情的，该指令将读取内存、判断和设置值作为一个原子操作。单核环境下，锁的操作肯定是原子性了，多核呢？貌似还是不行，因为多个核心他们的锁操作是没有干扰的，都能够同时执行“test and set”，还是会出现两个线程同时获取到锁的情况， 所以硬件提供了锁内存总线的机制，在锁内存总线的状态下执行“test and set”操作就可以保证一个只有一个核执行成功，也就保证了不会存在多线程获取到锁的情况。
  5、 原子操作的实现-硬件
  cpu会通过对总线加锁的手段来解决多核同时获取锁的情况，它到时是怎么实现的呢？ 在cpu芯片上有一个HLOCK Pin，可以通过发送指令来操作，将#HLOCK Pin电位拉低，并持续到这条指令执行完毕，从而将总线锁住，这样同一总线上的其他CPU就不能通过总线来访问内存了。最开始这些功能是用来测试cpu的，后来被操作系统实现而封装成各种功能：关键代码段，信号量等。
  在加锁的代码编译成汇编后，会有个lock指令前缀：

Causes the processor’s LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal insures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.

lock会使得紧跟在其后的指令变成atomic instruction，暂时的锁一下总线，指令执行完，总线就解锁了。

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