(面试经典问题之原子操作篇)原子操作CAS与锁实现

一、什么是原子操作

原子操作（Atomic Operation）是指在多线程并发编程中，作为一个不可分割的单元执行的操作。无论操作过程中是否有其他线程或进程的干扰，它都会以整体的方式执行完毕。换句话说，原子操作在执行时要么完全完成，要么完全不做，过程中不会被中断，并且中间状态也不会暴露给其他线程。

原子操作的关键特点包括：

1. 不可分割性：在执行过程中，操作不会被其他线程或进程打断。
2. 一致性：无论操作的执行顺序如何，结果都是一致的。
3. 高效性：因为原子操作不需要使用锁（或者使用非常轻量的锁），所以它比传统的锁机制要高效，特别是在高并发的场景中。

这些特性可以总结为“原子性”，用一句话讲就是要么都做要么还没做，不会让其他核心看到执行的中间状态。

二、如何实现原子性

单处理器单核：只需要保证指令不被打断（该场景比较简单，不细说）

多处理器或多核：除了不被打断之外，还需避免其他核心操作相关的内存空间。通过lock指令，以往的lock指令是锁总线，避免所有内存的访问，现在的lock指令只需阻止其他核心对相关内存空间的访问。

三、存储体系结构——cpu cache 

cpu cache即cpu缓存，它的作用是为了解决cpu运算速度与内存访问速度不匹配的问题，具体的结构和访问时间如图：

在cpu cache基础上，cpu读写数据有两种模式，一种是写直达（write-through），即cpu向缓存写入数据时，数据会同时写入内存，即每次缓存更新时内存也同步更新。该策略的优点在于保证了缓存与内存之间的数据一致性，但由于每次更新都要写入内存，会导致性能开销大，会增加延迟。另一种模式是写回（write