【原子操作】-优快云博客

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什么是原子操作

什么是原子操作，所谓原子操作，就是一个操作是不能打断的操作。确切的说应该是不备其他线程或者任务影响的操作。原子操作的特性保证了在多线程或者并发执行的情况下，对共享资源的操作能够正确、完整地进行。

一、原子操作的概念

原子操作是指在执行过程中不可被中断或者不可分割的操作。简单来说，它要么执行完全，要么不执行，不存在执行了一部分的情况。原子操作的特性使得它能够在多线程或者并发执行的情况下，保证对共享资源的操作能够正确地进行。

二、原子操作的作用

c语⾔中⼀个变量的⾃加1操作，看起来很简单，好像只需要⼀条指令⽽不被打断。但这个操作实现起来，CPU的执⾏是有⼀个过程的，分为读取到寄存器，寄存器数学运算，回写到内存。这个实际情况，会给我们程序编写时带来隐患，举例来说明。
Thread 1 Thread 2
---------------------------------------------
get i (7) 　get i (7)
increment i (7->8)
--- 　　 increment i (7->8)
write back i (8) ----
--- write back i (8)
可以看到，不通的进程对同⼀个变量，⾃加1操作了两次，但是得到的结果，却是只⾃加1了⼀次，这种结果不是我们预先想要的。如果有⼀种⽅法，让对这个变量的读取、计算、回写整个过程，不被别的进程所打断，那么情况会好很多：
Thread 1 　　　　　　Thread 2
--------------------------------------------------------
get, increment, and store i(7->8) ---
--- 　　　　　　　 get, increment, and store i(8->9)
或者：
Thread 1 　　　　　　Thread 2
--------------------------------------------------------
--- 　　　　　　　　get, increment, and store i(7->8)
get, increment, and store i(8->9) ---
这种操作就是原⼦操作，利⽤⼀种独占内存的实现策略，这当然需要CPU的指令集提供这样的锁内存单元操作。

1. 保证数据的一致性：在多线程或者并发执行的环境下，原子操作可以保证对共享资源的操作是原子的，即要么全部执行成功，要么全部不执行。这样可以避免出现数据不一致的情况，保证数据的正确性和完整性。
2. 防止竞态条件：竞态条件指的是多个线程同时对共享资源进行读写操作，导致结果的不确定性。原子操作能够避免竞态条件的发生，通过对共享资源的操作进行原子化，保证每个操作的完整性，从而避免了竞态条件带来的问题。

三、原子操作的实现方式

1. 原子指令：某些处理器提供了一些原子指令，可以直接在硬件级别执行原子操作。这些指令通常是具有原子性的，保证了对共享资源的操作不会被中断或者分割。
2. 锁机制：通过锁机制可以实现原子操作。常见的锁机制有互斥锁、读写锁等。当一个线程获得了锁之后，其他线程将无法获得该锁，从而保证了对共享资源的操作是原子的。
3. 原子变量：原子变量是一种特殊的变量类型，提供了一些原子操作的接口。这些接口可以保证对原子变量的操作是原子的，从而避免了竞态条件的发生。

四、原子操作的应用场景

1. 信号量和互斥锁：在多线程或者并发执行的环境下，通过使用信号量或者互斥锁来实现对共享资源的原子操作。通过对临界区的操作进行原子化，可以保证了操作的正确性。
2. 原子计数器：在计数器的应用场景中，通过使用原子操作来实现对计数器的操作。这样可以避免多个线程同时对计数器进行操作导致的计数不准确的问题。
3. 数据库事务：在数据库事务中，通过使用原子操作来实现对数据的读写操作。这样可以避免多个事务同时对数据库进行操作导致的数据错误或者不一致的问题。

五、总结

原子操作是操作系统中的重要概念，它保证了在多线程或者并发执行的环境下，对共享资源的操作能够正确、完整地进行。原子操作通过保证操作的原子性，保证了数据的一致性，防止了竞态条件的发生。通过使用原子指令、锁机制或者原子变量，可以实现对共享资源的原子操作。在实际应用中，原子操作被广泛应用于信号量和互斥锁、原子计数器以及数据库事务等场景。通过合理地使用原子操作，可以保证系统的稳定性和数据的正确性。