Question

我正在尝试理解原子和非原子操作。关于操作系统以及关于C. 根据维基百科页面here

考虑一个简单的计数器，不同的过程可以增加 非原子

天真的，非原子的实施：
读取内存位置的值;
将值加1;
将新值写回内存位置。

现在，想象两个进程正在运行递增单个共享内存位置：
第一个进程读取内存位置的值;
第一个过程为值添加一个;
但是在它将新值写回内存位置之前它被暂停，并允许第二个进程运行：
第二个进程读取内存位置的值，与第一个进程读取的值相同;
第二个过程为该值添加一个;
第二个进程将新值写入内存位置。

如何将上述操作作为一个大气操作。我对原子操作的理解是任何不间断执行的东西都是原子的。例如，

int b=1000;
  b+=1000;

根据我的理解应该是一个原子操作，因为两个指令都是在没有中断的情况下执行的，我从某个人那里学到了在C中没有任何已知的原子操作，因此上述两个语句都是非原子的。所以我想要理解的是，当涉及到编程语言而不是操作系统时，原子性是什么？

Answer 1

C99没有任何方法可以使变量相对于其他线程具有原子性。 C99没有多线程执行的概念。因此，您需要使用特定于编译器的扩展和/或CPU级指令来实现原子性。

下一个C标准，目前称为C1x，将包括原子操作。

即便如此，纯粹的原子性只能保证操作是原子的，它不能保证该操作何时对其他CPU可见。为了实现可见性保证，在C99中，您需要研究CPU的内存模型，并可能使用称为栅栏或内存屏障的特殊CPU指令。您还需要使用某些特定于编译器的编译器屏障告诉编译器。 C1x定义了几个内存排序，当你使用原子操作时，你可以决定使用哪个内存排序。

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;

所有这些都看起来很复杂，所以你应该坚持使用互斥体，这会让事情变得更容易。

Answer 2

int b = 1000;
b+=1000;

在指令级别变成多个语句。至少，准备一个寄存器或存储器，分配1000，然后获取该寄存器/存储器的内容，向内容添加1000，并将新值（2000）重新分配给该寄存器。如果没有锁定，操作系统可以在该操作的任何时刻挂起进程/线程。此外，在多进程系统上，当您的操作正在进行时，不同的处理器可以访问该内存（在这种情况下不会是寄存器）。

当您取消锁定时（这就是如何使其成为原子），您在某种程度上告知操作系统暂停此进程/线程并且不应该访问此内存其他过程。

现在上面的代码可能会被编译器优化为2000到b的内存位置的简单赋值，但是我忽略了这个答案的目的。

Answer 3

b+=1000在我知道的所有系统上编译为多个指令。因此它不是原子的。

即使b=1000也可以是非原子的，尽管你必须努力构建一个不是原子的情况。

事实上，C没有线程概念，所以在C中没有什么是原子的。你需要依赖编译器和工具的特定于实现的细节。

Answer 4

上面的语句是非原子的，因为它成为一个移动指令，将b加载到寄存器中（如果它不是），然后向它添加1000并将存储重新加入内存。许多指令集允许原子性通过原子增量最简单的x86与lock addl dest，src;其他一些指令集使用cmpxchg来实现相同的结果。

Answer 5

所以我想要了解的是什么原子性是不同的来自编程语言而不是操作系统？

我对这个问题感到有些困惑。你到底是什么意思？原子性概念在prog中都是相同的。语言和操作系统。

关于原子性和语言，这里有一个关于JAVA中的原子性的链接，可能会给你一个不同的视角：What operations in Java are considered atomic?

如何将非原子操作转换为原子操作

5 个答案: