原子操作的实现原理

左手的ㄟ右手 2022-04-22 11:36 199阅读 0赞

原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为 “ 不可被终端的一个或一系列的操作”。在多处理器实现原子操作就变得有点复杂了。

在了解原子操作的实现之前，我们先看一下相关的术语，

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0lCTGlwbHVz_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

--------------------

### 处理器如何实现原子操作 ###

32位IA-32处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存中读取或者写入一个字节是原子的，意识是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。Pentium 6 和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作时原子的，但是复杂的内存操作处理器是不能自动保证原子性的，比如跨总线宽度，跨多个缓存行和跨页表的访问。但是，处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂的内存操作的原子性。

（1）使用总线锁保证原子性

第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读写操作，那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子性的，操作完之后，共享变量的值就会个期望的不一样。

原因可能是多个处理器同时从各自的缓存中读取变量，分别进行操作，然后分别写入系统内存中，那么要想保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU操作共享变量的同时，其他的CPU不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存数据。

处理器使用总线锁就是解决这个问题的，所谓的总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK \#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他的处理器的请求将被阻塞，那么该处理器可以独占共享内存。

（2）使用缓存锁保证原子性

第二个机制是通过缓存锁定来保证原子性。在同一个时刻，我们只需要保证对某个内存地址的操作是原子性即可。但总线锁定把CPU和内存之间的通信锁定了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，目前处理器在某些场合下使用缓存锁定代替总线锁定来进行优化。

频繁的使用内存会缓存在处理器的L1,L2,L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存即可，并不需要声明总线锁，在Pentium6和目前的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。所谓的“缓存锁定”是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock \#信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存行无效。

### 但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。 ###

第一种情况：当操作的数据不能被缓存在处理器的内部，或操作的数据跨多个缓存行时，处理器会调用总线锁定。

第二种情况：有些处理器不支持缓存锁定，对于Intel 486和Pentium 处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0lCTGlwbHVz_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220422/7018f3ef3573481eb7dd11f0864cc6b0.png