计算机原理-原子操作，内存屏障，锁总结

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原理

• CPU提供了原子操作、关中断、锁内存总线,内存屏障等机制；OS基于这几个CPU硬件机制，就能够实现锁；再基于锁，就能够实现各种各样的同步机制（信号量、消息、Barrier等等等等）。

• 所有的同步操作最基础的理论就是原子操作。内存屏障,锁都是为了保证在不同的平台或者是CPU类型下的原子操作。

• 原子操作在单核，单线程/无中断，且编译器不优化的情况下是确定的，是按照C/C++代码顺序执行的，所以不存在异步问题。

为了能够理解异步操作产生的原因，我们先来了解下CPU处理的过程：

1.先启动的处理器为有序处理器，指令处理顺序:

• a.读取指令

• b.执行指令如果寄存器可写就从内存取出a的数据到寄存器，寄存器不可写就等待

• c.寄存器处理指令

• d.将寄存器结果存入内存

2.现在的处理器大多数为乱序处理器,处理顺序：

• a.读取指令

• b.指令被划分到指令队列

• c.指令在队列中等待,如果寄存器可写就从内存取出a的数据到寄存器，寄存器不可写就等待

• d.寄存器处理指令

• e.将执行结果存入队列(而不是立即写入寄存器堆)

• f.只有当所有更早的请求执行的指令结果被写入内存之后，执行的结果才会被存入内存(执行结果重排序，让执行看起来是有序的)

那么问题来了：

1.一条简单的a++语句究竟会有这么多条指令，而这一组指令是可以在任意时候异步执行的(共享数据)

• a.单核多线程情况下,线程是存在中断的，中断的时候cpu调用另一线程的同一指令组，所以是可能出现交叉执行的可能，也就是说单线程或者关掉中断可以解决异步问题，但很多时候这种做法并不实际。

• b.多核多线程情况下共享数据被多个核并行处理，不论哪一种处理器都存在同时执行的可能，这就导致了异步问题。

• c.现在的编译器都具有优化及自动优化功能，优化之后可能会对共享变脸的访问顺序进行调整，可能会造成与预期不相符的结果。

内存屏障的作用

• a.在编译时:拒绝编译器优化屏障前后的指令,防止内存乱序访问。

• b.在运行时:告诉内存地址总线共享数据地址的数据必须同步(当多个线程同时将一个共享数据地址的数据加载到队列里的时候,先完成处理从cpu到内存的时候总是通知其他线程跟新队列中的该共享数据,从而保证一致性)。

常用场合

• 1.实现同步原语（synchronization primitives）

• 2.实现无锁数据结构（lock-free data structures）

• 3.驱动程序

锁

从上面可以看出内存屏障并不是锁，而锁是使用了内存屏障实现的一种用户层的同步处理方式,锁使用的汇编原语有LOCK,UNLOCK等是内存屏障的一种隐式形式,它们都是LOCK操作和UNLOCK操作的变种，所以几乎所有的锁都使用了内存屏障。

锁的种类

• 原子锁：使用了锁总线的方式实现原子操作

• 自旋锁：while等待,不可抢占的单CPU内核下是无效的，有软中断的情况下，必须使用时本地软中断失效的方法。自旋锁更像是一种用户层控制的while等待处理

• 读写锁: 读写锁实际是一种特殊的自旋锁，它把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作

• 互斥锁：沉睡/休眠等待,所以互斥锁比自旋锁调度耗时。

• 信号量：用于同一时刻有多个个实例能获取锁，可用于表示同时有多少个client请求允许访问同一个数据块，允许锁个数设置为1的时候就是互斥锁.

• 读写信号量：对同时拥有的读者数不受限制，只能一个写者，写者发现不需要写的时候降级为读者。

• 顺序锁：用于能够区分读与写的场合，并且是读操作很多、写操作很少，写操作的优先权大于读操作。

• 读拷贝锁：RCU（read-copy-update）(RCU也是用于能够区分读与写的场合，并且也是读多写少，但是读操作的优先权大于写操作)