所謂原子操作,就是"不可中斷的一個(gè)或一系列操作" 。

硬件級(jí)的原子操作：
    在單處理器系統(tǒng)(UniProcessor)中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認(rèn)為是" 原子操作"，因?yàn)橹袛嘀荒馨l(fā)生于指令之間。這也是某些CPU指令系統(tǒng)中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于臨界資源互斥的原因。

    在對(duì)稱多處理器(Symmetric Multi-Processor)結(jié)構(gòu)中就不同了，由于系統(tǒng)中有多個(gè)處理器在獨(dú)立地運(yùn)行，即使能在單條指令中完成的操作也有可能受到干擾。

    在x86 平臺(tái)上，CPU提供了在指令執(zhí)行期間對(duì)總線加鎖的手段。CPU芯片上有一條引線#HLOCK pin，如果匯編語(yǔ)言的程序中在一條指令前面加上前綴"LOCK"，經(jīng)過匯編以后的機(jī)器代碼就使CPU在執(zhí)行這條指令的時(shí)候把#HLOCK pin的電位拉低，持續(xù)到這條指令結(jié)束時(shí)放開，從而把總線鎖住，這樣同一總線上別的CPU就暫時(shí)不能通過總線訪問內(nèi)存了，保證了這條指令在多處理器環(huán)境中 的原子性。
軟件級(jí)的原子操作：
    軟件級(jí)的原子操作實(shí)現(xiàn)依賴于硬件原子操作的支持。
    對(duì)于linux而言，內(nèi)核提供了兩組原子操作接口：一組是針對(duì)整數(shù)進(jìn)行操作；另一組是針對(duì)單獨(dú)的位進(jìn)行操作。
2.1. 原子整數(shù)操作
    針對(duì)整數(shù)的原子操作只能對(duì)atomic_t類型的數(shù)據(jù)處理。這里沒有使用C語(yǔ)言的int類型，主要是因?yàn)椋?/p>

    1) 讓原子函數(shù)只接受atomic_t類型操作數(shù)，可以確保原子操作只與這種特殊類型數(shù)據(jù)一起使用

    2) 使用atomic_t類型確保編譯器不對(duì)相應(yīng)的值進(jìn)行訪問優(yōu)化

    3) 使用atomic_t類型可以屏蔽不同體系結(jié)構(gòu)上的數(shù)據(jù)類型的差異。盡管Linux支持的所有機(jī)器上的整型數(shù)據(jù)都是32位，但是使用atomic_t的代 碼只能將該類型的數(shù)據(jù)當(dāng)作24位來(lái)使用。這個(gè)限制完全是因?yàn)樵赟PARC體系結(jié)構(gòu)上，原子操作的實(shí)現(xiàn)不同于其它體系結(jié)構(gòu)：32位int類型的低8位嵌入了 一個(gè)鎖，因?yàn)镾PARC體系結(jié)構(gòu)對(duì)原子操作缺乏指令級(jí)的支持，所以只能利用該鎖來(lái)避免對(duì)原子類型數(shù)據(jù)的并發(fā)訪問。

    原子整數(shù)操作最常見的用途就是實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器。原子整數(shù)操作列表在中定義。原子操作通常是內(nèi)斂函數(shù)，往往通過內(nèi)嵌匯編指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果某個(gè)函數(shù)本來(lái)就是原子的，那么它往往會(huì)被定義成一個(gè)宏。

在編寫內(nèi)核時(shí)，操作也簡(jiǎn)單：

    atomic_t use_cnt;

    atomic_set(&use_cnt, 2);

    atomic_add(4, &use_cnt);

    atomic_inc(use_cnt);

2.2. 原子性與順序性

    原子性確保指令執(zhí)行期間不被打斷，要么全部執(zhí)行，要么根本不執(zhí)行。而順序性確保即使兩條或多條指令出現(xiàn)在獨(dú)立的執(zhí)行線程中，甚至獨(dú)立的處理器上，它們本該執(zhí)行的順序依然要保持。

2.3. 原子位操作

    原子位操作定義在文件中。令人感到奇怪的是位操作函數(shù)是對(duì)普通的內(nèi)存地址進(jìn)行操作的。原子位操作在多數(shù)情況下是對(duì)一個(gè)字長(zhǎng)的內(nèi)存訪問，因而位號(hào)該位于0-31之間(在64位機(jī)器上是0-63之間),但是對(duì)位號(hào)的范圍沒有限制。

編寫內(nèi)核代碼，只要把指向了你希望的數(shù)據(jù)的指針給操作函數(shù)，就可以進(jìn)行位操作了：

    unsigned long word = 0;

    set_bit(0, &word); /*第0位被設(shè)置*/

    set_bit(1, &word); /*第1位被設(shè)置*/

    clear_bit(1, &word); /*第1位被清空*/

    change_bit(0, &word); /*翻轉(zhuǎn)第0位*/

為什么關(guān)注原子操作？
    1）在確認(rèn)一個(gè)操作是原子的情況下，多線程環(huán)境里面，我們可以避免僅僅為保護(hù)這個(gè)操作在外圍加上性能開銷昂貴的鎖。
    2）借助于原子操作，我們可以實(shí)現(xiàn)互斥鎖。
    3）借助于互斥鎖，我們可以把一些列操作變?yōu)樵硬僮鳌?/p>

GNU C中x++是原子操作嗎？
    答案不是。x++由3條指令完成。x++在單CPU下不是原子操作。
    對(duì)應(yīng)3條匯編指令
    movl x, %eax
    addl $1, %eax
    movl %eax, x
    在vc2005下對(duì)應(yīng)
    ++x;
    004232FA mov eax,dword ptr [x]
    004232FD add eax,1
    00423300 mov dword ptr [x],eax
    仍然是3條指令。
    所以++x，x++等都不是原子操作。因其步驟包括了從內(nèi)存中取x值放入寄存器，加寄存器，把值寫入內(nèi)存三個(gè)指令。

如何實(shí)現(xiàn)x++的原子性？
    在單處理器上，如果執(zhí)行x++時(shí)，禁止多線程調(diào)度，就可以實(shí)現(xiàn)原子。因?yàn)閱翁幚淼亩嗑€程并發(fā)是偽并發(fā)。
    在多處理器上，需要借助cpu提供的Lock功能。鎖總線。讀取內(nèi)存值，修改，寫回內(nèi)存三步期間禁止別的CPU訪問總線。同時(shí)我估計(jì)使用Lock指令鎖總線的時(shí)候，OS也不會(huì)把當(dāng)前線程調(diào)度走了。要是調(diào)走了，那就麻煩了。

    在多處理器系統(tǒng)中存在潛在問題的原因是：
    不使用LOCK指令前綴鎖定總線的話，在一次內(nèi)存訪問周期中有可能其他處理器會(huì)產(chǎn)生異常或中斷，而在異常處理中有可能會(huì)修改尚未寫入的地址，這樣當(dāng)INC操作完成后會(huì)產(chǎn)生無(wú)效數(shù)據(jù)（覆蓋了前面的修改）。

    spinlock 用于CPU同步, 它的實(shí)現(xiàn)是基于CPU鎖定數(shù)據(jù)總線的指令.
    當(dāng)某個(gè)CPU鎖住數(shù)據(jù)總線后, 它讀一個(gè)內(nèi)存單元(spinlock_t)來(lái)判斷這個(gè)spinlock 是否已經(jīng)被別的CPU鎖住. 如果否, 它寫進(jìn)一個(gè)特定值, 表示鎖定成功, 然后返回. 如果是, 它會(huì)重復(fù)以上操作直到成功, 或者spin次數(shù)超過一個(gè)設(shè)定值. 鎖定數(shù)據(jù)總線的指令只能保證一個(gè)機(jī)器指令內(nèi), CPU獨(dú)占數(shù)據(jù)總線.
    單CPU當(dāng)然能用spinlock, 但實(shí)現(xiàn)上無(wú)需鎖定數(shù)據(jù)總線.

    spinlock在鎖定的時(shí)候,如果不成功,不會(huì)睡眠,會(huì)持續(xù)的嘗試,單cpu的時(shí)候spinlock會(huì)讓其它process動(dòng)不了.