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原子操作介绍

2024/11/17 5:40:10 来源:https://blog.csdn.net/ygyglg/article/details/140834159  浏览:    关键词:原子操作介绍

原子操作(atomic operation)是一种计算机操作,它在执行过程中是不可分割的,要么完全成功,要么完全失败。它具有以下几个关键特性:

  1. 不可分割性

    • 在操作完成之前,其他操作不能插入或干扰。换句话说,原子操作的执行是“原子”的,类似于原子不可分割一样,它要么全部完成,要么完全不执行。
  2. 不可见性

    • 对于其他操作来说,原子操作的中间状态是不可见的。这意味着在原子操作完成之前,其他线程或进程不能观察到其执行过程中的任何中间状态。
  3. 并发安全性

    • 原子操作在多线程或多处理器系统中确保了对共享数据的安全访问,避免了竞争条件(race conditions)和数据不一致性。

原子操作的实现

原子操作通常由硬件提供支持,现代处理器通常提供对原子操作的原生支持,如原子加法、原子交换等。这些操作通常通过特定的指令实现,例如:

  • Compare-And-Swap (CAS):比较内存中的值与指定的值,如果它们相等,则将内存中的值更新为新的值。CAS 是实现许多锁和同步机制的基础。

  • Test-And-Set:测试一个值并将其设置为新值,通常用于实现互斥锁(mutexes)。

  • Load-Exclusive 和 Store-Exclusive:如 ARM 架构中的 LDREXSTREX 指令,它们用于实现原子更新操作。

举例说明:

atomic_inc:
ldrex r0, [r1]
add r0, r0, #1
strex r2, r0, r1
cmp r2, #0
bne atomic_inc

这段汇编代码实现了一个原子自增操作,通常用于多线程或多处理器系统中,以确保对共享数据的安全访问。它使用了ARM架构中的LDREXSTREX指令来确保操作的原子性。以下是对这段代码的详细解析:

代码解析

  1. ldrex r0, [r1]:

    • 从内存地址 r1 读取一个值,并将其加载到寄存器 r0
    • LDREX(Load-Exclusive)指令用于从指定地址加载一个值到寄存器 r0,同时在内部设置一个独占标志(exclusive flag),表示对该地址的独占访问。这个标志用于后续的 STREX 指令来验证操作的原子性。
  2. add r0, r0, #1:

    • 将寄存器 r0 中的值增加1。
    • 这是进行自增操作的步骤,将 r0 中的值加上立即数 #1,并将结果存回 r0
  3. strex r2, r0, r1:

    • 尝试将寄存器 r0 中的新值存储到内存地址 r1,并将结果状态存储在寄存器 r2 中。
    • STREX(Store-Exclusive)指令用于将寄存器 r0 中的值存储到内存地址 r1,同时检查独占标志。如果存储成功,r2 的值会被设置为 0;如果存储失败(由于其他处理器或线程对该地址进行了修改),r2 的值会被设置为非零。
  4. cmp r2, #0:

    • 比较寄存器 r2 的值与 0
    • CMP(Compare)指令用于将 r2 的值与 0 进行比较,以检查 STREX 指令是否成功。
  5. bne atomic_inc:

    • 如果比较结果不等于 0(即 r2 的值不为 0),则跳转到 atomic_inc 标签处重新尝试。
    • BNE(Branch if Not Equal)指令用于在 r2 的值不为 0 时跳转到 atomic_inc 标签。这样,如果 STREX 指令由于独占标志无效而失败,就会重新尝试操作,直到成功为止。

这段代码实现了一个原子自增操作,步骤如下:

  1. 读取内存地址 r1 中的值。
  2. 对值进行自增。
  3. 尝试将自增后的值写回内存地址 r1
  4. 如果由于其他线程或处理器的干预导致写回失败,则重试,直到成功为止。

这种原子操作在多线程或多处理器环境中非常重要,能够确保对共享数据的正确更新,而不会被并发的操作干扰。

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