原子操作浅谈 | 学步园

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2014年10月30日 ? 黄专家专栏

简单说，所谓原子操作是指不会被打断的操作，这种”打断”在操作系统层面，一般是指线程间的上下文切换。假设，一个线程对一个共享的变量写入一个 值，那么另一个观察这个变量的线程，要么看到原值，要么看到新值，不会看到一种中间状态，这种中间状态可以简单理解为部分写入（torn write）。

转到程序设计层面，如果你用C/C++写入或者读取一个变量，这个操作是原子的吗？

答案是：不一定。

假设我们有一个 64bit 的共享变量, store 函数表示写入这个变量一个值

1234	uint64 var;void store() { var = 0x1000000000000001;}

那么 以上的操作，在 32-bit x86 架构上生成的汇编代码可能如下：

123	mov DWORD PTR var, 2mov DWORD PTR var + 4, 1ret

明显可以看出，这个赋值操作不是原子的。同样的，我们可以得到读这个 var 的操作也不是原子的。

但是，如果换成 uint32 呢？

12345

uint32 foo;void store() { foo = 0x80286;}

如果这个 foo 对其到 32-bit 边界，那么操作是原子的，否则这个操作的原子性某些32-bit的平台不一定支持。 这个在 x64 架构同样成立。我们看下面的例子

1234567891011121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950

#include <iostream>#pragma pack(2)struct ShardValue { char a[57]; uint64_t b;};char a;ShardValue var;void* thread_worker(void* k) { uint64_t* v = (uint64_t*)k; while (1) { var.b = *v; }}void* thread_observer(void* k) { uint64_t v; while(1) { v = var.b; if (v == 0x1111111100000001 || v == 0x4444444400000001 || v == 0x6666666600000001 || v == 0x2222222200000001 || v == 0x3333333300000001 || v == 0x5555555500000001) { } else { printf("v : %p\n", v); exit(0); } }}int main() { pthread_t tid_1, tid_2, tid_3, tid_4, tid_5, tid_6; uint64_t v1 = 0x1111111100000001; uint64_t v2 = 0x2222222200000001; uint64_t v3 = 0x3333333300000001; uint64_t v4 = 0x4444444400000001; uint64_t v5 = 0x5555555500000001; uint64_t v6 = 0x6666666600000001; pthread_create(&tid_1, NULL, thread_worker, &v1); pthread_create(&tid_2, NULL, thread_worker, &v2); pthread_create(&tid_3, NULL, thread_worker, &v3); pthread_create(&tid_4, NULL, thread_worker, &v4); pthread_create(&tid_5, NULL, thread_worker, &v5); pthread_create(&tid_6, NULL, thread_worker, &v6); pthread_t o1, o2, o3, o4, o5, o6; pthread_create(&o5, NULL, thread_observer, NULL); pthread_create(&o6, NULL, thread_observer, NULL); pthread_create(&o1, NULL, thread_observer, NULL); pthread_create(&o2, NULL, thread_observer, NULL); pthread_create(&o3, NULL, thread_observer, NULL); pthread_create(&o4, NULL, thread_observer, NULL); pthread_join(tid_1, NULL); pthread_join(tid_2, NULL); pthread_join(tid_3, NULL); pthread_join(tid_4, NULL); pthread_join(tid_5, NULL); pthread_join(tid_6, NULL);}

测试机是 x86_64 Intel? Core? i5 CPU 760 @ 2.80GHz 4核心

可以得出这样的结果：

v : 0x5555111100000001

查看汇编指令

123456

_Z13thread_workerPv:.......L2:movq -8(%rbp), %raxmovq (%rax), %raxmovq %rax, var+58(%rip)

赋值的汇编指令只有一条，说明在不对齐情况下，最后会生成多条机器指令