原子操作 Atomic Operation

操作系统中存在一旦执行则要么执行完成要么不能执行的操作，这类操作具有良好的并行安全特性，被称为原子操作。

简介

原子操作（atomic operation）指的是由多步操作组成的一个操作。如果该操作不能原子地执行，则要么执行完所有步骤，要么一步也不执行，不可能只执行所有步骤的一个子集。

现代操作系统中，一般都提供了原子操作来实现一些同步操作，所谓原子操作，也就是一个独立而不可分割的操作。在单核环境中，一般的意义下原子操作中线程不会被切换，线程切换要么在原子操作之前，要么在原子操作完成之后。更广泛的意义下原子操作是指一系列必须整体完成的操作步骤，如果任何一步操作没有完成，那么所有完成的步骤都必须回滚，这样就可以保证要么所有操作步骤都未完成，要么所有操作步骤都被完成。

在单核系统里，单个的机器指令可以看成是原子操作（如果有编译器优化、乱序执行等情况除外）；在多核系统中，单个的机器指令就不是原子操作，因为多核系统里是多指令流并行运行的，一个核在执行一个指令时，其他核同时执行的指令有可能操作同一块内存区域，从而出现数据竞争现象。多核系统中的原子操作通常使用内存栅障（memory barrier）来实现，即一个CPU核在执行原子操作时，其他CPU核必须停止对内存操作或者不对指定的内存进行操作，这样才能避免数据竞争问题。

何时使用

在多线程并发的条件下，所有不是原子性的操作需要保证原子性时，都需要进行原子操作处理。

windows 原子操作 api

Win32 API中常用的原子操作主要有三类，一种是加1减1操作，一种是比较交换操作，另外一种是赋值（写）操作。

1. 原子加1减1操作

   LONG InterlockedIncrement( LONG volatile* Addend);
   
   LONG InterlockedDecrement( LONG volatile* Addend);

2. 比较并交换(Compare And Swap, CAS)操作

   LONG InterlockedCompareExchange( LONG volatile*Destination, LONG Exchange, LONG Comperand );

   这个操作是先将Comperand的值和Destination指向变量的值进行比较，如果相等就将Exchange变量的值赋给Destination指向的变量。返回值为未修改前的Destination位置的初始值。

3. 原子写操作

   LONG InterlockedExchange( LONG volatile* Target, LONG Value);

   InterlockedExchange的作用为将Value的值赋给Target指向的变量，返回Target指向变量未被赋值前的值。

并发安全

多线程

原子操作对于多线程并发是线程安全的，一个线程在执行原子操作时其他线程无法介入其中间过程，无法读、修改或打断该操作。

多进程

对于多进程也是有效的， 因为原子变量操作时是锁总线的，这个动作是在硬件层面来做的，他比操作系统更加底层，进程只是操作系统层面的概念，那么跨进程就更不再话下了。

参考资料

• 原子操作

• 原子操作对建立在跨进程的共享内存上的变量有效吗

• Atomic Operations in OS

文章链接：
https://www.zywvvd.com/notes/coding/cpp/atomic-operation/atomic-operation/