并发原理—如何保证多条指令的原子性（二）

一、提出问题：一条CPU原语指令如何保证多条指令的原子性

从上篇文章我们知道当多个CPU访问（此处访问的含义不仅有读取内存数据的意思，同时也有往内存写入数据的意思）同一个数据时，CPU存在着穿插执行的行为，从而造成数据紊乱的情况，为此CPU提供了锁机制来保证数据一致性，锁机制背后的原理就是通过CPU的一条原子性指令（原语）限制只能有一个CPU执行该指令。但我们的应用程序的某个方法往往是由多条指令（通过汇编器产生的ISA指令集）组成的，那一条原语指令如何保证多条指令的原子性呢？换个问法就是：应用程序的多个线程访问同一个方法时是如何保证线程安全的呢？

二、只有设置标志位成功的线程才可以执行方法

如图所示，应用程序有一个方法，该方法内部存在对数据的写操作，现在有n个线程想同时执行该方法，那么势必会存在多线程并发的问题。那么CPU底层是如何通过一条CPU原语指令保证多条指令的原子性呢？答案就是通过引入一个标志位，让CPU去争抢设置标志位。这些CPU通过原子性指令(lock;add或者lock;sub)来设置标志位，由于是原子操作，那么只有一个CPU能设置成功，也即只有设置标志位成功的线程可以执行方法代码，设置失败的其他线程则要排队进入阻塞队列。

三、设置标志位失败的线程自旋进入阻塞队列

因为设置标志位失败的线程有多个，它们进入队列的过程是要拿到队尾指针，然后把队尾指针指向自己。那么抢这个队尾指针的操作，又是一个原子性操作，通过CPU的原子性指令(lock;cmpxchg)来让多个线程排队进入队列，这个操作称之为自旋。

四、唤醒和排队也是原子性操作

当线程执行完代码后，需要唤醒阻塞队列中的线程继续执行方法，而在唤醒的同时有可能有其他线程在排队进入队列中，所以唤醒和排队这两个操作也是原子性操作。

五、总结

我们绘制完整执行流程图，可以清晰看到CPU是如何通过一条CPU原语保证多条指令的原子性。我们可以通过以下伪代码简要概述上述逻辑过程：

if(设置标志位){   
  // 设置标志位成功的线程执行方法
} else { 
   // 设置失败的线程排队
    for(;;){     
    // 通过CAS进入队列  
    }
}