atomic是原子的意思，意味"不可分割"的整體。在Linux kernel中有一類atomic操作API。這些操作對用戶而言是原子執行的，在一個CPU上執行過程中，不會被其他CPU打斷。最常見的操作是原子讀改寫，簡稱RMW。例如，atomic_inc()接口。atomic硬件實現和Cache到底有什么關系呢？其實有一點關系，下面會一步步揭曉答案。

問題背景

我們先來看看不使用原子操作的時候，我們會遇到什么問題。我們知道increase一個變量，CPU微觀指令級別分成3步操作。1) 先read變量的值到CPU內存寄存器；2) 對寄存器的值遞增；3) 將寄存器的值寫回變量。例如不使用原子指令的情況下在多個CPU上執行以下increase函數。

int counter = 0;

void increase(void)

{

counter++;

}

例如2個CPU得系統，初始值counter為0。在兩個CPU上同時執行以上increase函數。可能出現如下操作序列：

+ +----------------------+----------------------+

| | CPU0 operation | CPU1 operation |

| +----------------------+----------------------+

| | read counter (== 0) | |

| +----------------------+----------------------+

| | increase | read counter (== 0) |

| +----------------------+----------------------+

| | write counter (== 1) | increase |

| +----------------------+----------------------+

| | | write counter (== 1) |

| +----------------------+----------------------+

V

timeline

我們可以清晰地看到，當CPU0讀取counter的值位0后，在執行increase操作的同時，CPU1也讀取counter變量，同樣counter的值依然是0。隨后CPU0和CPU1先后將1的值寫入內存。實際上，我們想執行兩次increase操作，我應該得到counter值為2。但是實際上得到的是1。這不是我們想要的結果。為了解決這個問題，硬件引入原子自增指令。保證CPU0遞增原子變量counter之間，不被其他CPU執行自增指令導致不想要的結果。硬件是如何實現原子操作期間不被打斷呢？

Bus Lock

當CPU發出一個原子操作時，可以先鎖住Bus(總線)。這樣就可以防止其他CPU的內存操作。等原子操作結束，釋放Bus。這樣后續的內存操作就可以進行。這個方法可以實現原子操作，但是鎖住Bus會導致后續無關內存操作都不能繼續。實際上，我們只關心我們操作的地址數據。只要我們操作的地址鎖住即可，而其他無關的地址數據訪問依然可以繼續。所以我們引入另一種解決方法。

Cacheline Lock

為了實現多核Cache一致性，現在的硬件基本采用MESI協議(或者MESI變種)維護一致性。因此我們可以借助多核Cache一致性協議MESI實現原子操作。我們知道Cache line的狀態處于Exclusive或者Modified時，可以說明該變量只有當前CPU私有Cache緩存了該數據。所以我們可以直接修改Cache line即可更新數據。并且MESI協議可以幫我們保證互斥。當然這不能不能保證RMW操作期間不被打斷，因此我們還需要做些手腳實現原子操作。

我們依然假設只有2個CPU的系統。當CPU0試圖執行原子遞增操作時。a) CPU0發出"Read Invalidate"消息，其他CPU將原子變量所在的緩存無效，并從Cache返回數據。CPU0將Cache line置成Exclusive狀態。然后將該cache line標記locked。b) 然后CPU0讀取原子變量，修改，最后寫入cache line。c) 將cache line置位unlocked。

在步驟a)和c)之間，如果其他CPU(例如CPU1)嘗試執行一個原子遞增操作，CPU1會發送一個"Read Invalidate"消息，CPU0收到消息后，檢查對應的cache line的狀態是locked，暫時不回復消息(CPU1會一直等待CPU0回復Invalidate Acknowledge消息)。直到cache line變成unlocked。這樣就可以實現原子操作。我們稱這種方式為鎖cache line。這種實現方式必須要求操作的變量位于一個cache line。

LL/SC

LL/SC(Load-Link/Store-Conditional)是另一種硬件實現方法。例如aarch64架構就采用這種方法。這種方法就不是我們關注的重點了。略過。

總結

借助多核Cache一致性協議可以很方便實現原子操作。當然遠不止上面舉例說的atomic_inc還有很多其他類似的原子操作，例如原子比較交換等。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的atomic原子类实现机制_atomic实现原理的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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