如何将非原子操作转换为原子操作？

Question

我正在尝试理解原子操作和非原子操作。涉及操作系统和C语言方面的内容。根据维基百科页面这里所述。

考虑一个简单的计数器，多个进程可以对其进行递增。
非原子操作 朴素的非原子实现：
读取内存位置中的值；
将值加一；
将新值写回内存位置。

现在，想象两个进程正在运行并递增单个共享内存位置：
第一个进程读取内存位置中的值；
第一个进程将值加一；
但在它写入新值回到内存位置之前被挂起，第二个进程被允许运行：
第二个进程读取内存位置中的值，与第一个进程读取的相同；
第二个进程将值加一；
第二个进程将新值写入内存位置。

如何将上述操作变为原子操作？我理解的原子操作是指能够无中断地执行的任何操作。例如：

int b=1000;
  b+=1000;

根据我的理解，应该是原子操作，因为两个指令都没有中断地执行，但我从某人那里学到，在C语言中没有所谓的原子操作，因此上述两个语句都不是原子操作。那么我想要了解的是，当涉及编程语言时，原子性与操作系统有何不同？

- Registered User

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汇编语言是这里的答案，但那是通往黑暗面的道路。 - Ulterior

@David Heffernan 如果你想要了解并控制执行过程，你必须使用汇编语言，否则就得听从编译器的摆布。 - Ulterior

@user 大多数人实际上使用库。 - David Heffernan

@David Heffernan，这里给你一个-1，感谢你的深刻见解。 - Ulterior

@user：我猜你不是有意要给这个问题点踩，所以我点了一个赞来抵消它。 - Sander De Dycker

Answer 1

C99没有任何方法使变量在其他线程中具有原子性。C99没有多线程执行的概念。因此，您需要使用编译器特定的扩展和/或CPU级别的指令来实现原子性。

下一个C标准，目前称为C1x，将包括原子操作。

即使如此，仅仅原子性保证一个操作是原子的，并不保证该操作何时对其他CPU可见。要实现可见性保证，在C99中，您需要研究CPU的内存模型，并可能使用一种名为“fences”或“memory barriers”的特殊类型的CPU指令。您还需要告诉编译器，使用一些特定于编译器的编译器屏障。C1x定义了几个内存排序方式，当您使用原子操作时，可以决定使用哪个内存排序方式。

一些例子：

/* NOT atomic */
b += 1000;

/* GCC-extension, only in newish GCCs 
 *   requirements on b's loads are CPU-specific
 */
__sync_add_and_fetch(&b, 1000);

/* GCC-extension + x86-assembly, 
 *   b should be aligned to its size (natural alignment), 
 *   or loads will not be atomic
 */
__asm__ __volatile__("lock add $1000, %0" : "+r"(b));


/* C1x */
#include <stdatomic.h>
atomic_int b = ATOMIC_INIT(1000);
int r = atomic_fetch_add(&b, 1000) + 1000;

这些都很复杂，所以通常应该坚持使用互斥锁，这样可以使事情变得更容易。

- ninjalj

Answer 2

int b = 1000;
b+=1000;

在指令级别上，这段代码将被转换为多个语句。至少需要准备一个寄存器或内存，分配1000，然后获取该寄存器/内存的内容，将1000添加到内容中，并重新分配新值（2000）给该寄存器。如果没有锁定，操作系统可以在该操作的任何时候挂起进程/线程。此外，在多处理器系统上，不同的处理器可能会在您的操作进行时访问该内存（在这种情况下不会是寄存器）。

当您取出锁定（这是使此操作原子化的方法）时，部分地通知操作系统不要挂起此进程/线程，并且其他进程不应访问此内存。

现在，编译器可能会将上述代码优化为将2000简单分配给b的内存位置，但出于本答案的目的，我忽略了这一点。

- Jim Deville

Answer 3

b+=1000 在我所知道的所有系统上都会被编译成多条指令，因此它不是原子性的。

即使是 b=1000 也可能不是原子性的，虽然你需要花费一些功夫才能构造出不是原子性的情况。

实际上，C语言没有线程的概念，因此在C中没有任何东西是原子性的。你需要依赖于编译器和工具的具体实现细节。

- David Heffernan

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所以您的意思是，用于访问存储变量的特定内存区域的汇编指令将是原子性的。 - Registered User

那么 int b; 或者 b=1000; 中的任何一个是原子操作吗？ - Registered User

int b不会生成指令，所以问题毫无意义。在C中没有任何保证是原子的。 - David Heffernan

@注册用户：b = 1000 是否是原子操作取决于 CPU，可能还取决于 b 的对齐和大小。即使如此，您可能没有（或者有非常弱的）可见性保证。 - ninjalj

Answer 4

上述语句是非原子性的，因为它变成了一个移动指令，将b加载到寄存器中（如果没有），然后加上1000并存回内存。许多指令集通过原子增量来实现原子性，最简单的是x86，使用lock addl dest，src；一些其他指令集使用cmpxchg来实现相同的结果。

- Jesus Ramos

Answer 5

我想要了解的是，编程语言中的原子性与操作系统有何不同？

这个问题让我有些困惑。您具体指的是什么？在编程语言和操作系统中，原子性概念是相同的。

关于原子性和编程语言，例如JAVA中的原子操作，这里有一个链接What operations in Java are considered atomic?，或许可以给您一个不同的视角。

- Marc Polizzi