大家好，关于深入了解原子操作及其应用很多朋友都还不太明白，不过没关系，因为今天小编就来为大家分享关于的知识点，相信应该可以解决大家的一些困惑和问题，如果碰巧可以解决您的问题，还望关注下本站哦，希望对各位有所帮助！
前言所谓原子操作，就是要么没有，要么全部。在很多场景下，都需要原子操作。在翻看aep的spec文档时，我还发现了一个巧妙的方法。那么顺便我们发散性的总结一下原子操作的各种实现方法。欢迎大家交流讨论。
小粒度——指令
根据Intel手册第3卷第8章中的描述，x86使用三种机制来实现原子操作：
1.保证原子操作。保证原子操作是指一些基本的读写内存操作，保证是原子的。一般来说，读取和写入位于高速缓存行中的数据是原子的。
2. 总线锁定，使用LOCK#信号和指令的锁定前缀。锁定总线的方法非常简单。执行原子操作的CPU 将在总线上发出LOCK# 信号。这时，其他CPU的操作就会被阻塞。
3、缓存锁是利用缓存一致性协议（MESI协议）实现的。如果要访问的内存区域已经在当前CPU的缓存中，则使用缓存一致性协议来实现原子操作，否则总线将被锁定。
Intel早期的CPU（如Intel386、Intel486、Pentium处理器）通过总线锁来实现原子操作。这种实现的问题在于，两个完全不相关的CPU 也会相互竞争总线锁，从而导致整体性能下降。在后来的CPU中，Intel优化了这个问题。当用于原子操作的内存已经被拉入缓存时，CPU会使用缓存一致性协议来保证原子性，这称为缓存锁。与总线锁相比，缓存锁的粒度更细，可以获得更好的性能。
在x86中，有些指令内置了锁语义，例如XCHG、更新段描述符等；其他指令可以手动添加锁前缀来实现锁语义，例如BTS、BTR、CMPXCHG指令。这些指令中，最核心的就是CAS（Compare And Swap）指令，它是实现各种锁语义的核心指令。与XCHG有自己的原子语义不同，CAS操作必须以“lock CMPXCHG”的形式实现。一般来说，原子操作的数据长度不会超过8个字节，并且不允许同时对两个内存地址进行CAS操作（如果可以的话，无锁双向链表不是梦）。
原子操作中另一个不可避免的话题是ABA问题。由于本人水平有限，就不多讨论了。举个简单的例子，在Linux内核的slub实现中，使用了一个宏cmpxchg_double。这并不是同时对两个内存地址执行CAS的黑魔法，而是利用CMPXCHG16B指令解决ABA问题的宏函数。如果你有兴趣可以深入研究一下。
大粒度
当原子操作的对象大小在16字节或8字节以内时，一条或两条指令即可实现原子操作。然而，当对象的大小很大时，就需要其他方法来实现原子操作，例如锁定和COW。仔细观察这两个方法，我们可以发现，本质上，它们还是将问题转化为16字节的原子操作。
加锁锁定方法很容易理解。一旦锁被锁定，整个临界区操作就可以看做是一个原子操作。
内核提供了多种锁，自旋锁，读写锁，seq锁，互斥锁，信号量等，这些锁对于读者和写者有不同的偏好，在是否允许睡眠方面也有所不同。
简单来说，自旋锁和读写锁的核心都是通过CAS的原子指令来操作一个32位/64位的值。它们不允许睡眠，但读写锁针对读者进行了优化，并允许多个读者。数据同时读取，自旋锁对于读写操作没有优先权。 seq基于自旋锁实现，不允许休眠，但对编写者更加友好。互斥量和信号量也是基于自旋锁实现的，但是它们允许互斥量区域中的操作进入睡眠状态。
可见，这种加锁方式的核心就是利用指令来实现原子操作。
COW对大对象执行原子操作的另一种方法是COW（写时复制）。
牛的想法其实很简单。首先，我们有一个指向这个大对象的指针。当我们需要原子地修改这个大对象的数据时，因为没有办法就地修改，我们就复制这个对象的数据。修改对象副本，最后原子地修改指向该对象的指针。可以看到，这里的核心点就是用指令来代替指针。
关于COW，这里以AEP为例。 AEP是一种存储介质。这里你需要知道的是它可以按字节寻址，并且断电后数据不会消失。普通磁盘一般都会保证扇区的原子性，即如果在向某个扇区写入新数据时突然断电，则该扇区要么根本没有新数据，要么新数据已全部写入。不会出现半新半旧的状态。扇区原子性的保证非常重要，很多数据库都依赖它。但AEP等存储介质则没有这种保证，因此需要一种软件方法来保证这一点，称为BTT。
BTT的想法也很简单。为了方便理解，后面我就不介绍AEP的术语来描述了。
首先将整个存储空间划分为若干个块，每个块都有自己的物理块号，然后维护一个表将逻辑块号转换为物理块号。给予上层的逻辑块数量略小于物理块数量，因此会有一些物理块没有被映射，暂称为空闲块。
例如下图中，有4个逻辑块和5个物理块，其中1号块是空闲块。
接下来，向逻辑块写入数据时，首先找到一个空闲块，将数据写入那里，然后去映射表修改逻辑块到空闲块的映射。整个过程中，最关键的步骤——修改映射关系——是原子的。只要有这个保证，就可以提供原子更新区块数据的能力。
COW的思想在很多地方都可以找到，比如qemu的qcow镜像快照、ext4和btrfs写入数据时的cow、Linux内核的rcu机制等等。另外，cow最著名的使用场景是fork的实现，不过只是为了减少复制开销，与原子性关系不大。
COW优化cow方法一个很麻烦的事情就是每次都要原子更新指针。那么有没有办法去掉这个指针呢？是的。
这是我从Intel 关于AEP 的文档中学到的另一个技巧（注意，下面描述的示例与上面提到的BTT 无关）。原因是这样的：
AEP 驱动程序使用称为索引块的结构来管理元数据。该索引块位于整个媒体的开头，大小至少为256 字节。有些操作会改变多个字段的值，所以在改变字段的过程中可能会出现断电的情况。因此，需要一种机制来确保变更过程是原子的。
普通的COW方法需要两个索引块大小的空间，并在起始位置保留一个指针，并保留一个索引块作为备份。当修改索引块的数据时，将COW方法中的所有数据存储到备份索引块中，然后在COW方法中更改指针指向备份索引块。
Intel 使用以下机制来优化离开指针：
还有两个索引块，索引块中有一个字段叫seq。 seq 是一个两位数，共有4 个状态。除了00状态外，还有01、10、11三种状态，这三种状态视为一个循环，如下：
为了描述方便，将两个索引块分别命名为blockA和blockB。
第一次写入数据时，写入blockA，其seq为01；第二次写入数据时，写入blockB，其seq为10；第三次写入数据时，写入到blockA中，其seq为11；第四次向blockB写入数据时，其seq为01；以此类推，恢复时只需读取两个索引块并比较哪个seq在循环的最前面，就可以找到最新的索引堵塞。这样做的优点是显而易见的。首先，它避免了额外的指针，或者将指针固化为两个索引块，避免了8字节指针对齐两个索引块带来的麻烦；第二，节省了一次写操作，提高了效率。
多对象
前面的都是关于单个对象的。如果涉及多个对象，保证原子性会比较复杂。例如，如果使用add-and-unlock方式，需要注意锁的顺序，防止死锁问题；如果使用cow方法，需要注意失败后回滚被替换的指针的问题。从更大的角度来看，对多个对象的原子操作本质上是事务操作。所以，这个问题的解决办法，就参考事务的实现吧。
写日志
事务的四大特性ACID是原子性、一致性、隔离性和持久性。它们基本上都是常识，原子性只是事务的一个特性。
写日志是实现事务最常见的方式。日志一般分为重做日志和撤消日志。为了加快恢复速度，一般会引入检查点的概念。在文件系统和数据库的实现中，基本上都可以看到事务。
除了保证原子性和一致性之外，写入日志对于磁盘等外部存储设备也很友好，因为写入日志基本上是顺序的。这方面的典型案例是日志结构文件系统和leveldb的LSM-tree。
leveldb的原理就不用多说了。它将K-V对的增删改查操作一一变成日志，然后持久化到磁盘上的SST中，然后触发合并和排序。这样，基本上所有对磁盘的操作都是顺序的。
日志结构文件系统也有类似的想法。直接将文件数据的增删改查操作转化为日志写入磁盘。文件的实际数据不需要单独存储在某处，而是通过日志来恢复。这种方式对于写操作非常友好，但是读性能有点差强人意。
事务内存
事务通常用于保证数据的持久一致性。去掉持久化的要求，在内存对象的操作中引入事务的概念，就有了事务内存的概念。
上面提到，对于多个对象的操作，加锁和cow方法使用起来比较麻烦。加锁方法必须考虑解锁顺序，防止死锁。如果中途失败，必须按照特定顺序解锁并回滚；牛也是如此。虽然不存在死锁问题，但是回滚起来也很麻烦。还有一个问题是，针对不同的场景，添加和解锁的顺序需要重新考虑，cow的回滚也要重新考虑，不具有通用性。
事务内存机制就是为了解决这些问题而提出的。它将多个对象的原子操作抽象为一个事务，你只需要根据它提供的API以序列化的方式进行编程即可。无需考虑解锁或回滚的顺序。当遇到一些致命错误时，只需中止事务即可。这是一种通用的并发编程方法，在保证并发性能的同时，简化了编码。
事实上，事务内存机制的内部实现也依赖于奶牛机制和加密解锁。此外，它还依赖于原子操作指令。
总结
总结一下：
对于16字节或8字节以内的内存数据，使用CPU的原子操作指令；
对于超过16字节的数据，使用锁定、COW或者使用seq优化的COW方法，其本质上依赖于原子指令；
对于多个对象的原子操作，引入了事务或事务内存的概念。实际的实现要么是写日志，要么是依靠cow或者locking的方法，最终还是依靠原子指令。
因此，原子操作指令非常重要。
参考链接
https://pmem.io/documents/NVDIMM_Namespace_Spec.pdf
https://software.intel.com/content/dam/develop/public/us/en/documents/325462-sdm-vol-1-2abcd-3abcd.pdf
https://zhuanlan.zhihu.com/p/151425608
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E4%BA%8B%E5%8A%A1%E5%86%85%E5%AD%98
OK，本文到此结束，希望对大家有所帮助。
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用户评论
我一直很想知道，什么是原子操作？这篇文章讲的会不会比较简单易懂？
有18位网友表示赞同！
我觉得很多程序设计基础知识都应该从原子操作开始学起啊！
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希望能介绍一些常见的原子操作，让我也能看看有没有应用在自己做的项目里。
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我对编程方面的东西不太了解，希望这篇文章能够解释得通俗易懂.
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现在很多软件都是很复杂的设计，不知道原子操作在这个架构设计中扮演着什么角色？
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学习原子操作是不是会对提高代码的效率有帮助呢？
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我平时写程序的时候很少去考虑原子操作的问题，看来需要好好了解一下了！
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这个标题很有吸引力，我想看看具体的例子能解释清楚原子操作的概念。
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如果软件开发都离不开原子操作，那么掌握它是不是很关键？
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现在数据并发处理很常见，不知道原子操作在这些领域应用情况如何？
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看了这个标题，让我想到那些微服务架构设计中也涉及到原子操作吧？
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期待看到一些实际的程序代码案例，能更直观地理解原子操作。
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学习编程一直很需要掌握一些基础的概念，这次好好看看原子操作有哪些特性呢！
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感觉学习编程知识就是不断的去解决具体的问题，原子操作就是一种解决之道?
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这个标题让我联想到了银行转账这种操作，是不是也是一种原子操作？
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我平时学习计算机科学概念的时候，发现很多东西都是相互关联的，不知道原子操作和哪些相关知识联系在一起？
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我很期待看到一些关于不同编程语言中实现原子操作的方式介绍。
有8位网友表示赞同！
对于初学者来说，这篇文章能够帮助我们更好地理解原子操作的本质吗?
有16位网友表示赞同！
我相信通过学习原子操作，可以让我写出更安全、更高效的代码!
有10位网友表示赞同！