原子操作的原理和本质

最新推荐文章于 2025-09-26 00:30:23 发布
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#stm32 #java #linux

本文重点：

概念：原子操作
内容：原子操作的本质和实现

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

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。

【并发编程十三】c++原子操作(1)
junxuezheng的博客
01-28 4544
std::atomic_flag是最简单的标准原子类型，表示一个布尔标志。该类型的对象只有两种状态：成立或置零。二者必居其一。经过刻意设计，它相当简单，唯一用途是充当构建单元，因此我们认为普通开发者一般不会直接使用它。尽管这样，我们从std:atomic_flag切入，仍能借以说明原子类型的一些通用原则，方便进一步讨论其他原子类型。std:atomic是基于整数类型的最基本的原子类型。相比std:atomic_flag,它是一个功能更加齐全的布尔标志。
Linux 内核同步机制--原子操作和互斥锁区别
MHD0815的博客
05-24 168
特性原子操作互斥锁适用场景简单的计数器或状态标记复杂的数据结构或长时间运行的任务性能高效，无阻塞较高开销，可能引起阻塞实现硬件级别的原子指令软件层面的锁机制优先级继承不支持支持根据具体的应用需求选择合适的同步机制是非常重要的。对于简单的操作，优先考虑原子操作；而对于复杂的数据结构或需要保护较大代码段的情况，互斥锁则是更好的选择。
C++一分钟之-原子操作与线程安全
zevjay的博客
06-27 825
原子操作指的是不可中断的操作序列，即在多线程环境下，该操作要么完全执行完毕，要么根本不执行，不会出现中间状态被其他线程看到的情况。这为解决并发编程中的数据竞争问题提供了基础。
原子操作、缓存一致性与C++内存屏障
qq_42987967的博客
09-26 1088
原子（atom）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”。个人认为，原子操作应该是一个在具体对比对象下的相对概念，比如c++里的atomic<int>的fetch_add相对操作系统和开发者来说是原子操作，其在多线程下是不需要synchronized，不会被线程调度机制打断的操作。但是对cpu处理器来说，其本身可能做了不止一次的电路级别(比cpu指令颗粒度还小的指令)的指令操作，在多处理器上实现原子操作就变得有点复杂。
详解Java中的原子操作
宋小黑的博客
01-07 1361
面试中一个经常被提起的话题就是“原子操作”。那么，到底什么是原子操作呢？在编程里，当咱们谈论“原子操作”时，其实是指那些在执行过程中不会被线程调度机制打断的操作。这种操作要么完全执行，要么完全不执行，没有中间状态。这就像是化学里的原子，不可分割，要么存在，要么不存在。举个简单的例子，想象一下，小黑在网上银行转账给朋友。这个操作要么完整完成——钱从小黑的账户转到朋友账户，要么根本就不发生——钱还在小黑的账户里。
JAVA基础篇-原子操作的实现原理
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原子操作
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Linux内核原子操作（1）基本原理
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C++原子变量和普通变量的区别及原子变量的底层原理
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本文介绍了普通变量和原子变量的两个基本区别：原子性和内存序。本文基于这两个基本区别进行了汇编代码的对比分析。分析了编译器对普通变量和原子变量的重排表现。从原理上，梳理了在x86-64 CPU架构下，受到Store Buffer和MESI协议的影响，如何产生了CPU微指令乱序。最后对std::memory_order进行了详细说明。
浅析ARMv8体系结构：原子操作
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原子操作的实现依赖处理器硬件提供支持，在不同的处理器体系结构上，原子操作会有不同的实现，例如在x86体系结构下，通常使用锁缓存/总线的方式实现原子操作。LL/SC机制使用多个指令，并且每个处理器都需要实现一个专有监视器，LL/SC机制利用独占内存访问指令和独占监视器共同实现原子操作。在编程中，当多个处理器或线程访问共享数据，并且至少有一个正在写入时，操作必须是原子的，这意味着数据访问必须被视为相对于其他处理器的单个操作，以避免数据竞争条件。STXR：内存独占存储指令，它以独占的方式把数据存储到内存中。
多线程原理（2）volatile、synchronized和原子操作
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一、volatile 二、synchronized 三、原子操作
原子操作原理分析
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1. 概念 原子操作是指不被打断的操作，即它的最小的执行单位。 最简单的原子操作就是一条条的汇编指令(不包括一些伪指令，伪指令会被汇编器解释成多条汇编指令)。 在 linux 中原子操作对应的数据结构为 atomic_t，定义如下： typedef struct { int counter; } atomic_t; 本质上就是一个整型变量，之所以定义这么一个数据类型，是为了让原子操作函数只接受 atomic_t 类型的操作数， 如果传入的不是 atomic_t 类型数据，在程序编译阶段就不会通...
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处理器实现原子操作 使用总线锁保证原子性 我们知道处理器存在内存与缓存，当线程读取数据时，先会去取缓存中的数据，若没有再去内存中拿取数据，这样就会发生缓存中与内存中的数据不一致，从而导致不正确的结果。 为了得到正确的结果，可以在总线上加锁，也就是在内存与缓存上都加锁，也就是给处理器一个#LOCK信号，这样线程就可以独占锁 使用缓存锁保证原子性 锁的粒度减少 Java实现原子操作 使用...
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原子操作的实现原理与CAS实现原子操作 原子操作表示操作是一个整体，不可再分。在并发场景下，如果无法保证某些操作是原子的，数据就无法一致，导致系统不可用。 处理器保证原子操作 处理器层面有两种方式实现原子操作： 通过总线锁来保证原子性。总线锁就是使用处理器提供的一个 LOCK # 信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求就会被阻塞住，该处理器可以独占贡献内存。但此种方式，开销比较大，在锁总线期间，其他处理器无法操作其他内存地址的数据。 通过缓存锁定来保证原子性。使用“缓存锁定”的方式来
原子操作 的 原理 原子操作是如何实现的
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原子操作和屏障为了解决什么问题
最新发布
10-04
<think>嗯，用户现在想深入了解原子操作和内存屏障解决的问题，这其实是在探讨并发编程的核心机制。从之前的对话历史看，用户已经对Intel MESI协议有过研究，现在显然是想延伸到更底层的同步原语。 用户引用的大量资料都指向三个关键点：原子性、可见性和顺序性。这确实是多线程编程最棘手的三个问题。有趣的是，用户特别标注了“系统级指令(用户不可见)”的要求，说明ta需要专业级的底层解释，而不是简单的API说明。 注意到用户引用的资料[2]提到“原子性、可见性、内存序的区分”，这个切入点很专业。确实很多开发者会混淆这些概念。比如原子操作常被误认为能解决所有并发问题，但其实它主要解决原子性，而可见性需要内存屏障配合。资料[4]中锁与原子操作的对比分析也很关键，用户似乎想厘清这两者的本质差异。 用户可能正在学习Brpc这类高性能框架的源码，或者是准备系统级开发的面试。从ta反复强调“硬件层面”和“编译器层面”来看，ta需要的不是简单的“用mutex还是atomic”这种建议，而是想理解CPU和编译器如何协作实现同步。 需要特别注意数学表达式的规范要求。在解释内存屏障原理时，类似“$LoadLoad$/$StoreStore$”这样的指令序列必须严格用$包裹。对于重排序的示例，用$$y=\alpha\cdot x + \beta$$这样的独立公式会更清晰。 用户引用的资料[5]提到CAS实现锁的原理，这个可以展开说明。不过要避免过度深入LL/SC指令这样的硬件细节，点到MESI协议层面即可，毕竟用户已经了解该协议。重点应该放在： - 原子操作如何通过CPU指令实现不可分割性 - 内存屏障如何影响编译器和CPU的行为 - 为什么单独使用原子操作无法保证顺序性 最后生成的问题需要覆盖不同层次：既有底层原理（如内存屏障类型差异），也有实践场景（如自旋锁实现），这样能帮助用户按需深入。 </think>原子操作和内存屏障共同解决了多核系统中的两大并发核心问题：**操作原子性**和**内存可见性/顺序性**。以下是具体解析： --- ### 一、原子操作解决的问题 原子操作的核心是**保证操作的不可分割性**，即在多线程环境下： 1. **避免指令交错导致的竞态条件** 例如自增操作 `i++` 在汇编层面分为“读-改-写”三步，非原子操作可能导致多个线程同时修改时产生错误结果。原子操作确保这一过程不可中断，解决如计数器、标志位更新等场景的数据一致性问题[^3]。 2. **实现无锁数据结构** 通过原子指令（如CAS），无需锁即可实现线程安全的队列、栈等结构： ```c++ void push(Node* new_node) { Node* old_top = top.load(std::memory_order_relaxed); do { new_node->next = old_top; } while (!top.compare_exchange_weak(old_top, new_node)); // CAS原子操作 } ``` --- ### 二、内存屏障解决的问题 内存屏障解决**指令重排和缓存一致性**引发的可见性与顺序性问题： 1. **禁止编译器/CPU重排指令** 编译器或CPU可能为了优化调整指令顺序（如 `StoreLoad` 重排），导致逻辑错误： ```c++ // 线程1 x = 42; // Store flag.store(true); // Store （可能被重排到x=42之前执行） // 线程2 if (flag.load()) { // Load assert(x == 42); // 可能失败！ } ``` 添加释放屏障可解决： ```c++ x = 42; std::atomic_thread_fence(std::memory_order_release); // 屏障：禁止上方写操作下移 flag.store(true); ``` 2. **强制缓存同步** 多核系统中，写操作可能暂存在本地缓存（如MESI协议的Modified状态），其他核无法立即读到新值。内存屏障触发缓存刷新，确保写结果全局可见[^1][^4]。例如自旋锁释放时： ```c++ void unlock() { lock_flag.store(false, std::memory_order_release); // 释放屏障：确保临界区写操作先完成 } ``` 3. **实现同步原语语义** 锁的获取/释放、信号量等依赖屏障控制操作顺序： - **获取屏障** (`acquire`): 确保屏障后操作不会重排到屏障前 - **释放屏障** (`release`): 确保屏障前操作不会重排到屏障后 （锁示例：加锁时用获取屏障，解锁时用释放屏障[^4]） --- ### 三、原子操作与屏障的协同 两者结合可实现高效同步： - **原子操作** 提供基础读写原子性 - **内存屏障** 控制原子操作的时序和可见性 例如C++中： ```c++ std::atomic<int> x; x.store(10, std::memory_order_release); // 原子写+释放屏障 int a = x.load(std::memory_order_acquire); // 原子读+获取屏障 ``` --- ### 关键技术点对比 | **机制** | 解决问题 | 实现方式 | 典型场景 | |----------------|-----------------------|----------------------------|-----------------------| | **原子操作** | 操作不可分割性 | CPU原子指令 (CAS, LL/SC) | 计数器、无锁数据结构 | | **内存屏障** | 可见性、指令顺序 | 编译器插入屏障指令 | 锁同步、RCU、Happens-Before | --- ### 相关问题 1. 如何在C++中正确选择`memory_order`参数？ 2. CAS操作在ABA问题场景下有何局限性？如何解决？ 3. MESI协议如何与内存屏障协同保证缓存一致性？ 4. 无锁编程中，内存屏障的使用有哪些典型模式？ 5. 编译器指令重排与CPU乱序执行的差异是什么？ > 原子操作与内存屏障共同构建了并发编程的底层保障机制，其设计紧密耦合硬件架构（如MESI协议、CPU流水线）与编译器行为[^1][^3][^5]。
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