操作系统中原子操作和锁的底层原理分别是什么？提供了哪些原子语义保证？
在操作系统中，保证并发访问共享资源的安全和数据的一致性至关重要。为此，我们引入了两种核心机制：原子操作和锁。它们在底层实现和保证的语义上有着显著的区别。
原子操作：无中缀的守护者
原子操作，顾名思义，是指一个操作是不可分割的。在执行过程中，它要么完全完成，要么根本不执行，绝不会在中间状态被中断。这就像一颗最小的、无法再分解的粒子，要么完整存在，要么不存在。
底层原理：
原子操作的实现依赖于硬件层面的支持。CPU指令集本身就包含了一些原子指令，例如：
读修改写（ReadModifyWrite）指令： 这是最常见的一类原子操作。例如，“增加”（increment）操作，它在汇编层面可能分解为“读取内存中的值”、“将该值加一”、“将新值写回内存”三个步骤。然而，CPU通过特殊的指令（如 `LOCK` 前缀指令在x86架构上）将这三个步骤绑定在一起，确保在执行过程中，没有其他CPU核或设备能够访问同一内存地址。在执行 `LOCK INC [memory_address]` 时，CPU会先锁定总线（bus），阻止其他CPU或DMA控制器访问该内存地址，然后执行读取、修改、写入操作，最后释放总线。
CompareandSwap (CAS)： 这是一个非常强大的原子操作，它接收三个参数：内存地址、期望值和新值。CAS指令会检查内存地址中的当前值是否等于期望值。如果是，就将新值写入该内存地址；如果不是，则不进行任何操作。CAS指令同样通过硬件保证了整个过程的原子性，避免了竞态条件。
FetchandAdd (FAA)： 类似于CAS，但它总是执行读取并增加操作。它读取内存中的值，将其增加给定的数值，然后将新值写回内存，并返回旧的值。FAA也由硬件保证原子性。
原子语义保证：
原子操作提供的最根本的语义保证是：
不可中断性（Indivisibility）： 从开始到结束，整个操作是一个不可分割的整体。其他线程或进程无法在其执行过程中观察到中间状态。
一致性（Consistency）： 无论有多少个线程并发执行同一个原子操作，最终的内存状态都将是正确的，就像这些操作是串行执行一样。例如，多个线程对一个计数器进行原子增加，最终计数器的值将是所有增加操作的总和，不会出现由于指令重排或并发读取旧值而导致的错误。
可见性（Visibility）： 当一个原子操作成功完成后，其结果对所有其他线程都是可见的。这通常通过CPU的缓存一致性协议（如MESI协议）来保证，确保一个CPU核对内存的修改能够被其他CPU核及时地感知到。
锁：排他性的守护者
锁，也称为互斥锁（Mutex），是一种更高级别的同步原语，用于保护一段代码（临界区）的并发访问。它允许在同一时间只有一个线程能够持有锁并进入临界区。
底层原理：
锁的实现通常是基于前面提到的原子操作。一个典型的互斥锁包含以下几个关键部分：
1. 状态标志： 一个共享的变量，用于表示锁的状态（被持有或空闲）。这个状态标志的读取和修改必须是原子的。
2. 自旋锁（Spinlock）： 最基础的锁实现之一。当一个线程尝试获取一个已被占用的锁时，它不会立即放弃CPU，而是不断地循环（自旋）尝试获取锁，直到锁被释放。自旋锁的底层通常是通过CAS指令实现的。例如：
尝试获取锁：`while (!CAS(lock_address, UNLOCKED, LOCKED)) { / spin / }`
释放锁：`Store(lock_address, UNLOCKED)` (这个Store操作也需要保证其原子性，或者其可见性)
自旋锁的优点是当锁被持有的时间很短时，避免了上下文切换的开销。但如果锁被长时间持有，它会浪费CPU资源。
3. 阻塞锁（Mutex）： 当一个线程尝试获取一个已被占用的阻塞锁时，它会被挂起（睡眠），并将其CPU时间片交还给操作系统调度器。当锁被释放时，操作系统会唤醒一个等待的线程。阻塞锁的实现通常需要操作系统内核的协助，涉及到等待队列、线程调度等机制。
获取锁：如果锁空闲，则设置为占用状态；否则，将线程加入等待队列并挂起。
释放锁：将锁设置为空闲状态，并从等待队列中唤醒一个线程。
锁的种类和底层细节：
互斥锁 (Mutex)： 保证同一时间只有一个线程能访问共享资源。
读写锁 (ReadWrite Lock)： 允许多个读线程同时访问，但写线程必须独占访问。底层实现通常需要维护一个读计数和写状态，并结合原子操作（如CAS）来管理。
信号量 (Semaphore)： 允许特定数量的线程同时访问资源。信号量可以使用原子操作（如FAA）和阻塞机制来实现。
原子语义保证：
锁提供了一套更高级别的语义保证，建立在底层原子操作之上：
互斥性（Mutual Exclusion）： 这是锁最核心的保证。在任何时刻，只有一个线程可以持有某个特定的锁，因此只有一个线程可以执行被该锁保护的临界区代码。
可见性（Visibility）： 当一个线程释放一个锁时，它对共享变量所做的修改必须对下一个获取该锁的线程可见。这通常通过锁释放时将CPU缓存中的脏数据写回主内存，以及锁获取时从主内存读取最新数据来保证。这确保了锁的持有者总是能看到最新的数据状态。
顺序性（Ordering）： 锁的获取和释放操作隐含了一定的内存顺序保证。通常，在获取一个锁之后的操作，对锁释放之前操作的修改是可见的；反之，在释放一个锁之前的操作，对获取锁之后的操作的修改也是可见的。这种保证被称为锁传递（Lock Passing）或事件顺序（happensbefore）关系。
总结比较
| 特性 | 原子操作 | 锁 |
| : | : | : |
| 粒度 | 非常细粒度，通常是单个内存访问或简单计算。 | 粗粒度，保护一个代码块（临界区）。 |
| 实现 | 直接依赖硬件（CPU指令）。 | 通常基于原子操作，并结合操作系统调度机制（自旋锁、阻塞锁）。 |
| 用途 | 实现底层同步原语，如构建锁、计数器。 | 保护共享数据结构，防止并发访问导致的数据损坏。 |
| 开销 | 通常开销较低（依赖于CPU指令）。 | 较高（尤其是阻塞锁，涉及上下文切换）。自旋锁开销取决于锁的持有时间。 |
| 主要保证 | 不可中断性，确保单个操作的完整性。 | 互斥性，保证同一时间只有一个线程访问临界区，并确保数据可见性。 |
| 示例 | CAS、FetchandAdd、原子加法。 | Mutex、Semaphore、Spinlock、ReadWrite Lock。 |
在实际的操作系统和并发编程中，原子操作是构建更复杂同步机制（如锁）的基石。而锁则提供了一种更易于理解和使用的方式来管理对共享资源的并发访问，确保程序的正确性和稳定性。理解它们各自的底层原理和提供的语义保证，对于编写高效、可靠的并发程序至关重要。
原子操作：无中缀的守护者
原子操作，顾名思义，是指一个操作是不可分割的。在执行过程中，它要么完全完成，要么根本不执行，绝不会在中间状态被中断。这就像一颗最小的、无法再分解的粒子，要么完整存在，要么不存在。
底层原理：
原子操作的实现依赖于硬件层面的支持。CPU指令集本身就包含了一些原子指令，例如：
读修改写（ReadModifyWrite）指令： 这是最常见的一类原子操作。例如，“增加”（increment）操作，它在汇编层面可能分解为“读取内存中的值”、“将该值加一”、“将新值写回内存”三个步骤。然而，CPU通过特殊的指令（如 `LOCK` 前缀指令在x86架构上）将这三个步骤绑定在一起，确保在执行过程中，没有其他CPU核或设备能够访问同一内存地址。在执行 `LOCK INC [memory_address]` 时，CPU会先锁定总线（bus），阻止其他CPU或DMA控制器访问该内存地址，然后执行读取、修改、写入操作，最后释放总线。
CompareandSwap (CAS)： 这是一个非常强大的原子操作，它接收三个参数：内存地址、期望值和新值。CAS指令会检查内存地址中的当前值是否等于期望值。如果是，就将新值写入该内存地址；如果不是，则不进行任何操作。CAS指令同样通过硬件保证了整个过程的原子性，避免了竞态条件。
FetchandAdd (FAA)： 类似于CAS，但它总是执行读取并增加操作。它读取内存中的值，将其增加给定的数值，然后将新值写回内存，并返回旧的值。FAA也由硬件保证原子性。
原子语义保证：
原子操作提供的最根本的语义保证是：
不可中断性（Indivisibility）： 从开始到结束，整个操作是一个不可分割的整体。其他线程或进程无法在其执行过程中观察到中间状态。
一致性（Consistency）： 无论有多少个线程并发执行同一个原子操作，最终的内存状态都将是正确的，就像这些操作是串行执行一样。例如，多个线程对一个计数器进行原子增加，最终计数器的值将是所有增加操作的总和，不会出现由于指令重排或并发读取旧值而导致的错误。
可见性（Visibility）： 当一个原子操作成功完成后，其结果对所有其他线程都是可见的。这通常通过CPU的缓存一致性协议（如MESI协议）来保证，确保一个CPU核对内存的修改能够被其他CPU核及时地感知到。
锁：排他性的守护者
锁，也称为互斥锁（Mutex），是一种更高级别的同步原语，用于保护一段代码（临界区）的并发访问。它允许在同一时间只有一个线程能够持有锁并进入临界区。
底层原理：
锁的实现通常是基于前面提到的原子操作。一个典型的互斥锁包含以下几个关键部分：
1. 状态标志： 一个共享的变量，用于表示锁的状态（被持有或空闲）。这个状态标志的读取和修改必须是原子的。
2. 自旋锁（Spinlock）： 最基础的锁实现之一。当一个线程尝试获取一个已被占用的锁时，它不会立即放弃CPU，而是不断地循环（自旋）尝试获取锁，直到锁被释放。自旋锁的底层通常是通过CAS指令实现的。例如：
尝试获取锁：`while (!CAS(lock_address, UNLOCKED, LOCKED)) { / spin / }`
释放锁：`Store(lock_address, UNLOCKED)` (这个Store操作也需要保证其原子性，或者其可见性)
自旋锁的优点是当锁被持有的时间很短时，避免了上下文切换的开销。但如果锁被长时间持有，它会浪费CPU资源。
3. 阻塞锁（Mutex）： 当一个线程尝试获取一个已被占用的阻塞锁时，它会被挂起（睡眠），并将其CPU时间片交还给操作系统调度器。当锁被释放时，操作系统会唤醒一个等待的线程。阻塞锁的实现通常需要操作系统内核的协助，涉及到等待队列、线程调度等机制。
获取锁：如果锁空闲，则设置为占用状态；否则，将线程加入等待队列并挂起。
释放锁：将锁设置为空闲状态，并从等待队列中唤醒一个线程。
锁的种类和底层细节：
互斥锁 (Mutex)： 保证同一时间只有一个线程能访问共享资源。
读写锁 (ReadWrite Lock)： 允许多个读线程同时访问，但写线程必须独占访问。底层实现通常需要维护一个读计数和写状态，并结合原子操作（如CAS）来管理。
信号量 (Semaphore)： 允许特定数量的线程同时访问资源。信号量可以使用原子操作（如FAA）和阻塞机制来实现。
原子语义保证：
锁提供了一套更高级别的语义保证，建立在底层原子操作之上：
互斥性（Mutual Exclusion）： 这是锁最核心的保证。在任何时刻，只有一个线程可以持有某个特定的锁，因此只有一个线程可以执行被该锁保护的临界区代码。
可见性（Visibility）： 当一个线程释放一个锁时，它对共享变量所做的修改必须对下一个获取该锁的线程可见。这通常通过锁释放时将CPU缓存中的脏数据写回主内存，以及锁获取时从主内存读取最新数据来保证。这确保了锁的持有者总是能看到最新的数据状态。
顺序性（Ordering）： 锁的获取和释放操作隐含了一定的内存顺序保证。通常，在获取一个锁之后的操作，对锁释放之前操作的修改是可见的；反之，在释放一个锁之前的操作，对获取锁之后的操作的修改也是可见的。这种保证被称为锁传递（Lock Passing）或事件顺序（happensbefore）关系。
总结比较
| 特性 | 原子操作 | 锁 |
| : | : | : |
| 粒度 | 非常细粒度，通常是单个内存访问或简单计算。 | 粗粒度，保护一个代码块（临界区）。 |
| 实现 | 直接依赖硬件（CPU指令）。 | 通常基于原子操作，并结合操作系统调度机制（自旋锁、阻塞锁）。 |
| 用途 | 实现底层同步原语，如构建锁、计数器。 | 保护共享数据结构，防止并发访问导致的数据损坏。 |
| 开销 | 通常开销较低（依赖于CPU指令）。 | 较高（尤其是阻塞锁，涉及上下文切换）。自旋锁开销取决于锁的持有时间。 |
| 主要保证 | 不可中断性，确保单个操作的完整性。 | 互斥性，保证同一时间只有一个线程访问临界区，并确保数据可见性。 |
| 示例 | CAS、FetchandAdd、原子加法。 | Mutex、Semaphore、Spinlock、ReadWrite Lock。 |
在实际的操作系统和并发编程中，原子操作是构建更复杂同步机制（如锁）的基石。而锁则提供了一种更易于理解和使用的方式来管理对共享资源的并发访问，确保程序的正确性和稳定性。理解它们各自的底层原理和提供的语义保证，对于编写高效、可靠的并发程序至关重要。
网友意见
你写的挺全了。稍微补充个，还有tsl指令，把两个以上操作在硬件层面合并成一个，例如x86中的xchg指令。
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