多线程程序中操作原子性.docVIP

/2010/04/15/atomic-operation-in-multithreaded-application/ 多线程程序中操作的原子性 0. 背景 HYPERLINK /wiki/Atomic_operation \o 原子操作 原子操作 就是不可再分的操作。在多线程程序中原子操作是一个非常重要的概念，它常常用来实现一些同步机制，同时也是一些常见的多线程Bug的源头。本文主要讨论了三个问题：1. 多线程程序中对变量的读写操作是否是原子的？2. 多线程程序中对Bit field（位域）的读写操作是否是线程安全的？3. 程序员该如何使用原子操作？ 1. 多线程环境下对变量的读写操作是否是原子的？ 我们先从一道很热门的百度笔试题讲起。很多人讲不清楚其背后的原理，我们就对它进行一下剖析（其实这个题目有点歧义，后面我们会讲到）： 以下多线程对int型变量x的操作，哪几个需要进行同步：（ ）A. x=y; B. x++; C. ++x; D. x=1; 要彻底理解这个问题，我们首先需要从硬件讲起。以常见的X86 CPU来说，根据Intel的 HYPERLINK /design/processor/manuals/253668.pdf \o 参考手册 参考手册 ，它基于以下三种机制保证了多核中加锁的原子操作（8.1节）：（1）Guaranteed atomic operations （注：8.1.1节有详细介绍）（2）Bus locking, using the LOCK# signal and the LOCK instruction prefix（3）Cache coherency protocols that ensure that atomic operations can be carried out on cached data structures (cache lock); this mechanism is present in the Pentium 4, Intel Xeon, and P6 family processors 这三个机制相互独立，相辅相承。简单的理解起来就是（1）一些基本的内存读写操作是本身已经被硬件提供了原子性保证（例如读写单个字节的操作）；（2）一些需要保证原子性但是没有被第（1）条机制提供支持的操作（例如read-modify-write）可以通过使用”LOCK#”来锁定总线，从而保证操作的原子性（3）因为很多内存数据是已经存放在L1/L2 cache中了，对这些数据的原子操作只需要与本地的cache打交道，而不需要与总线打交道，所以CPU就提供了cache coherency机制来保证其它的那些也cache了这些数据的processor能读到必威体育精装版的值（关于cache coherency可以参加我的 HYPERLINK /2010/03/06/why-should-programmer-care-about-sequential-consistency-rather-than-cache-coherence/ \o 一篇博文 一篇博文 ）。 那么CPU对哪些（1）中的基本的操作提供了原子性支持呢？根据Intel手册8.1.1节的介绍： 从Intel486 processor开始，以下的基本内存操作是原子的：? Reading or writing a byte（一个字节的读写）? Reading or writing a word aligned on a 16-bit boundary（对齐到16位边界的字的读写）? Reading or writing a doubleword aligned on a 32-bit boundary（对齐到32位边界的双字的读写） 从Pentium processor开始，除了之前支持的原子操作外又新增了以下原子操作：? Reading or writing a quadword aligned on a 64-bit boundary（对齐到64位边界的四字的读写）? 16-bit accesses to uncached memory locations that fit within a 32-bit data bus（未缓存且在32位数据总线范围之内的内存地址的访问） 从P6 family processors开始，除了之前支持的原子操作又新增了以下原子操作：? Unaligned 16-, 32-, and 64-bit accesses to cached memory that fit within a cache line（对单个cache line中缓存地址的未对齐的16/32/64位访问） 那么