处理器支持的原子操作

首先我们来讲一下处理器支持的原子操作以及为什么i++不是原子操作。

从处理器层面上来讲，处理器保证基本的访存事务的原子性，例如当处理器读取存储器中的一个字节时，在读取过程未结束之前，其他的任何设备都不可以访问这个字节。这个保证对写入字节也成立。但是处理器自动能做的保护也就仅仅如此了。

i++不是原子操作

对于i++这样的操作，其实是分3步执行的，读取i的值，增加i的值，回写i的新值。这3步每一步都是原子操作，但是组合在一起就不一定是原子操作了。可以参看下图中两个线程对i的争抢示例。我们期待线程A与B中的i++可以顺序执行，最终存储器中的结果是2；但是实际上由于两个线程并行执行，结果可能得到1（当然也有可能得到2，运气好的话）。通常i++这样的操作我们称为“读-改-写”操作。

Lock指令前缀

由于的确有业务逻辑要求多线程中类似于i++这样的“读-改-写”操作是原子性操作。处理器因此为软件（即程序员/编译器）提供了一种原生的总线封锁机制，即lock指令前缀。当生成的代码前有lock前缀时，例如伪代码lock i++，则整条指令在访存/修改变量/回写期间，别的设备/代码都不可以触碰被锁住的变量。从上面的例子来看就是，一旦线程A进入load i阶段，线程B就不可以再执行load i。线程B会阻塞，一直等待到线程A的store i完成，才能继续往下执行load i（此时读取到的是线程A的结果i=1），i++， store i，最后将i=2写回到内存中。参看下图。

有了lock指令前缀，程序的正确性问题解决了。但是同时也带了性能问题，其中一个线程不得不等待，直到另一个线程释放“锁”。
出现需要加锁的情况的本质原因是数据变量在多线程之间被共享且发生修改。所以改进程序算法，尽量避免数据共享才是终极解决办法。但是有时候业务逻辑不得不要求数据共享从而必须加锁。程序的正确性是刚需，性能与锁不可兼得。

注：lock前缀在没有高速缓存的机器上让处理器封锁总线，有高速缓存的机器上做cache lock操作，总体目标是保证指令原子性执行。

C/C++中的volatile关键字

Volatile这个关键字修饰变量的时候，本质上是禁止编译器将该变量优化到寄存器中（因为这个变量可能被其他线程修改），这样处理器每次使用这个变量值的时候都会从存储器中读取（当然可能命中高速缓存）。这个关键字只作用在编译器层面，处理器并不感知volatile的存在与作用。

结论
用volatile保证原子操作，只是确保了第一步load i一定从存储器中读取数据（也可能命中缓存），但是一定不会是某个寄存器。无法保障连续3步读改写的原子性。所以使用lock才是唯一正确的选择。而且，使用了lock前缀之后，也就无需再使用volatile关键字了。

GCC的内嵌原子操作函数

GCC实现了如下的instrinsic function，程序员无需内嵌汇编即可实现原子i++操作。

下面6个函数对*ptr执行操作，返回操作前原*ptr的值。

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value, ...)
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value, ...)

下面6个函数对*ptr执行操作，返回操作后新*ptr的值。

type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value, ...)
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value, ...)

下面2个函数执行比较并交换操作。第一个bool版本返回true，如果交换成功；第二个val版本返回交换前的oldval值。

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

下面这个函数会产生一个存储器屏障。

__sync_synchronize (...)

更多内容参看：

https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.1.2/gcc/Atomic-Builtins.html
https://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-5.2.0/gcc/_005f_005fatomic-Builtins.html

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