单核,多核CPU的原子操作

 一. 何谓"原子操作":
原子操作就是: 不可中断的一个或者一系列操作, 也就是不会被线程调度机制打断的操作, 运行期间不会有任何的上下文切换(context switch).

二. 为什么关注原子操作?
1. 如果确定某个操作是原子的, 就不用为了去保护这个操作而加上会耗费昂贵性能开销的锁. - (巧妙的利用原子操作和实现无锁编程)
2. 借助原子操作可以实现互斥锁(mutex). (linux中的mutex_lock_t)
3. 借助互斥锁, 可以实现让更多的操作变成原子操作. 

三. 单核CPU的原子操作:
在单核CPU中, 能够在一个指令中完成的操作都可以看作为原子操作, 因为中断只发生在指令间.

四. 多核CPU的原子操作:
在多核CPU的时代(确实moore定律有些过时了，我们需要更多的CPU，而不是更快的CPU，无法处理快速CPU中的热量散发问题), 体系中运行着多个独立的CPU, 即使是可以在单个指令中完成的操作也可能会被干扰. 典型的例子就是decl指令(递减指令), 它细分为三个过程: "读->改->写", 涉及两次内存操作. 如果多个CPU运行的多个进程在同时对同一块内存执行这个指令, 那情况是无法预测的. 

五. 硬件支持 & 多核原子操作:
软件级别的原子操作是依赖于硬件支持的. 在x86体系中, CPU提供了HLOCK pin引线, 允许CPU在执行某一个指令(仅仅是一个指令)时拉低HLOCK pin引线的电位, 直到这个指令执行完毕才放开.  从而锁住了总线, 如此在同一总线的CPU就暂时无法通过总线访问内存了, 这样就保证了多核处理器的原子性. (想想这机制对性能影响挺大的).  

六. 哪些操作可以确定为原子操作了?
对于非long和double基本数据类型的"简单操作"都可以看作是原子的. 例如: 赋值和返回. 大多数体系中long和double都占据8个字节, 操作系统或者JVM很可能会将写入和读取操作分离为两个单独的32位的操作来执行, 这就产生了在一个读取和写入过程中一个上下文切换(context switch), 从而导致了不同任务线程看到不正确结果的的可能性.

递增, 递减不是原子操作: i++反汇编的汇编指令: (需要三条指令操作, 和两个内存访问, 一次寄存器修改)

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movl i, %eax                            //内存访问, 读取i变量的值到cpu的eax寄存器 addl $1, %eax                         //增加寄存器中的值 movl %eax, i                            //写入寄存器中的值到内存

 

七. 如何实现++i和i++的原子性: 
1. 单CPU, 使用锁或则禁止多线程调度, 因为本身单核CPU的并发就是伪并发. （在单核CPU中, 在没有阻塞的程序中使用多线程是没必要的）.
2. 多核CPU, 就需要借助上面说道的CPU提供的Lock, 锁住总线. 防止在"读取, 修改, 写入"整个过程期间其他CPU访问内存. （那么“读写，修改，写入”这个操作会不会在在单核中发生线程的切换呢？)

八. Linux提供的两个原子操作接口:
1. 原子整数操作
针对整数的原子操作只能对atomic_t类型的数据处理。这里没有使用C语言的int类型，主要是因为：
1) 让原子函数只接受atomic_t类型操作数，可以确保原子操作只与这种特殊类型数据一起使用.
2) 使用atomic_t类型确保编译器不对相应的值进行访问优化. (原理为: 变量被volatile修饰了)
3) 使用atomic_t类型可以屏蔽不同体系结构上的数据类型的差异。尽管Linux支持的所有机器上的整型数据都是32位，但是使用atomic_t的代码只能将该类型的数据当作24位来使用。这个限制完全是因为在SPARC体系结构上，原子操作的实现不同于其它体系结构：32位int类型的低8位嵌入了一个锁，因为SPARC体系结构对原子操作缺乏指令级的支持，所以只能利用该锁来避免对原子类型数据的并发访问。

原子整数操作最常见的用途就是实现计数器。原子整数操作列表在中定义。原子操作通常是内敛函数，往往通过内嵌汇编指令来实现。如果某个函数本来就是原子的，那么它往往会被定义成一个宏。

在编写内核时，操作demo如下：

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atomic_t cnt; atomic_set(&cnt, 2); atomic_add(4, &cnt); atomic_inc(cnt);

 

2. 原子位操作:
原子位操作定义在文件中。令人感到奇怪的是位操作函数是对普通的内存地址进行操作的。原子位操作在多数情况下是对一个字节长的内存（注1）访问，因而位号该位于0-31之间(在64位机器上是0-63之间),但是对位号的范围没有限制。

注1：操作系统可以确保，在同一时刻，只有一个CPU的一个进程访问特定的某个字节，再加上单核中的原子性（基本数据类型的简单操作），所以单字节内存的简单操作是具有天生的多核原子性的。 

编写内核代码，把要操作的数据的指针给操作函数，就可以进行位操作了：

 

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unsigned long var = 0; set_bit(0, &var);           /*set the 0th bit*/ set_bit(1, &var);           /*set the 1th bit*/ clear_bit(1, &var);         /*clear the 1th bit*/ change_bit(0, &var);        /*change the 1th bit*/

 

九. spinlock CPU同步: 
spin lock必须基于CPU的数据总线锁定, 它通过读取一个内存单元(spinlock_t)来判断这个spinlock是否已经被别的CPU锁住. 如果否, 它写进一个特定值, 表示锁定了总线, 然后返回. 如果是, 它会重复以上操作直到成功, 或者spin次数超过一个设定值. 记住上面提及到的: 锁定数据总线的指令只能保证一个指令操作期间CPU独占数据总线. (spinlock在锁定的时侯, 不会睡眠而是会持续的尝试).