原子操作

原子操作（Atomic Operation）是指在多处理器或多线程环境下，不可被中断、不可分割的操作。即使有多个线程/CPU 并发执行，原子操作要么全部完成，要么全部不做，不会出现中间状态。原子操作由硬件级别提供支持，与硬件强相关。

原子指令和原子变量

原子指令是各个 CPU 平台提供的，能够保证原子性的特殊指令，是原子操作的基础。

• x86 架构的 LOCK 前缀指令（如 LOCK XADD、LOCK CMPXCHG）
• ARM 架构的 LDREX/STREX、SWP 等

这些指令通常用于实现原子加减、原子交换、原子比较并交换（CAS, Compare-And-Swap）等操作，是上层原子操作的基础。

原子变量是指支持原子操作的数据类型。需要特别说明的是，原子变量往往是在编译器层面实现的类型标记，其内存布局相较于普通的数据类型没有本质差异。原子变量用于提示编译器进行内存优化和语义提示。

以最简单的多线程同时对同一个变量进行加 1 操作的例子为例，在多核/多线程环境下，普通变量的操作（如 a++）实际上分为多步（读、加、写），可能被其他线程打断，导致数据竞争和不一致。原子操作可以保证这些操作的完整性，无需加锁即可安全并发访问。

linux 原子接口

Linux 内核为不同平台提供了统一的原子操作接口，屏蔽了下层硬件平台的原子操作。以 C 函数的形式给出。

常见接口：

类别	接口/类型名称	说明
原子类型	atomic_t	32位整型
	atomic64_t / atomic_long_t	64位整型（部分平台为 atomic_long_t）
原子操作	atomic_set(&v, i)	赋值，把 v 设置为 i
	atomic_read(&v)	读取 v 的值
	atomic_add(i, &v)	给 v 加上 i
	atomic_sub(i, &v)	从 v 减去 i
	atomic_inc(&v)	自增1（v = v + 1）
	atomic_dec(&v)	自减1（v = v - 1）
	atomic_add_return(i, &v)	加上 i 并返回新值
	atomic_sub_return(i, &v)	减去 i 并返回新值
	atomic_cmpxchg(&v, old, new)	如果 v 等于 old，则设为 new，返回原值
	atomic_xchg(&v, new)	把 v 设为 new 并返回旧值
	atomic_add_unless(&v,a,u)	如果 v 不等于 u，则加上 a，如果有加则返回非零
64位变体	atomic64_set、atomic64_read ...	操作与对应32位类似，仅操作对象为 atomic64_t，接口名带 64 后缀
初始化	ATOMIC_INIT(i)	初始化 atomic_t 为 i
	ATOMIC64_INIT(i)	初始化 atomic64_t 为 i

#include <linux/atomic.h>

atomic_t counter = ATOMIC_INIT(0);

void example(void) {
    atomic_inc(&counter); // 原子加1
    int val = atomic_read(&counter); // 原子读取
    atomic_dec(&counter); // 原子减1
    // CAS操作
    int old = atomic_cmpxchg(&counter, 5, 10); // 如果counter==5，则设为10
}

C 接口原子接口

C11 标准库中引入了语言级的原子变量接口，提供跨操作系统的原子操作抽象。

原子变量

• atomic_int

#include <stdatomic.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>

atomic_int counter = 0;

void* increment(void* arg) {
    for (int i = 0; i < 1000; i++) {
        atomic_fetch_add(&counter, 1); // Atomic increment
    }
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t threads[10];
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_create(&threads[i], NULL, increment, NULL);
    }
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        pthread_join(threads[i], NULL);
    }
    printf("Counter: %d\n", atomic_load(&counter)); // Outputs ~10000
    return 0;
}

类别	接口/类型名称	说明
原子类型	_Atomic 限定符，如 _Atomic int	用于声明原子类型变量
	atomic_bool
	atomic_char
	atomic_int
	atomic_long
	atomic_pointer
原子操作	atomic_store(&obj, val)	存储，将 val 写入 obj
	atomic_load(&obj)	读取，从 obj 读取值
	atomic_exchange(&obj, val)	替换，将 obj 设为 val，返回旧值
	atomic_fetch_add(&obj, opnd)	加上 opnd，返回操作前的值
	atomic_fetch_sub(&obj, opnd)	减去 opnd，返回操作前的值
	atomic_fetch_and(&obj, opnd)	按位与（AND），返回操作前的值
	atomic_fetch_or(&obj, opnd)	按位或（OR），返回操作前的值
	atomic_fetch_xor(&obj, opnd)	按位异或（XOR），返回操作前的值
	atomic_compare_exchange_strong(&obj, &exp, des)	若 obj 等于 exp，则设为 des，否则更新 exp 为当前值
	atomic_compare_exchange_weak(&obj, &exp, des)	类似 strong，可能会伪失败
内存序控制参数	memory_order_relaxed	无序保证，执行速度最快，但允许操作重排
	memory_order_acquire	读取操作，保证之后的操作不会被重排到该读取之前
	memory_order_release	写入操作，保证之前的操作不会被重排到该写入之后
	memory_order_acq_rel	用于读改写操作（如 fetch_add），同时具备 acquire 与 release 语义
	memory_order_seq_cst	最严格，也是默认选项，所有线程间保证全序一致性
辅助操作	atomic_init(&obj, val)	初始化原子类型变量
	atomic_is_lock_free(&obj)	检查该对象的操作是否为无锁实现

#include <stdatomic.h>
atomic_int counter = 0;
atomic_fetch_add(&counter, 1); // Increments counter atomically
int value = atomic_load(&counter); // Reads counter atomically

内存屏障

现代的编译器会在编译时做很多工作，其中有的工作是指令重排，也就是代码执行的实际顺序不一定按照我们编写的代码顺序来执行。在单线程情况下，这通常不会有问题，但是一旦到了多线程的环境下，指令重排就可能导致数据竞争和不可预期的结果。更糟糕的是，现代的 CPU 往往可以使用一些硬件加速手段，例如：分支预测和流水线并发，这些硬件级别的行为也会导致指令顺序发生重排。

为了解决这种问题，引入了内存屏障（memory barrier，或 memory fence）的机制。内存屏障是一种特殊的指令，用于限制编译器和 CPU 的指令重排，保证内存操作的可见性和有序性。常见的内存屏障分为以下几类：

• 全屏障（Full Barrier, 通常为 mfence）：确保其前后的所有读写操作都完成，常用于关键的同步点。
• 读屏障（Load Barrier, lfence）：保证屏障前的读操作全部完成，才会进行屏障后的读操作。
• 写屏障（Store Barrier, sfence）：保证屏障前的写操作全部完成，之后的写操作才会开始。

内存屏障主要用途包括：

• 防止乱序执行：确保关键顺序不可颠倒，避免多线程访问共享变量时出现“看见过时值”或“操作丢失”问题。
• 实现同步原语：如锁（mutex）、自旋锁（spinlock）、信号量（semaphore）等都依赖内存屏障保障可见性和顺序性。
• 确保写入对其他CPU可见：跨核心通信时，强制将数据从 CPU 缓存刷回主内存，确保其他处理器能够及时看到变更。

总结

• 原子操作适合简单数据类型（如整型），复杂结构体仍需加锁保护。
• 无锁并发虽然高效，但实现复杂，需谨慎设计，避免ABA问题等陷阱。
• 在 SMP（多核）系统下，原子操作通常伴随内存屏障（memory barrier）以保证可见性和有序性。