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原语，原子，线程安全

news 文章来源：https://blog.csdn.net/phone1126/article/details/136041264 2024/9/19 9:06:55

原子操作和原语是计算机科学中常见的概念，通常用于多线程或多进程环境中，以确保数据的一致性和同步。

原子操作（Atomic Operations）

原子操作是不可再分的操作，在执行完毕之前不会被线程调度系统中断的操作。从外部看，一个原子操作要么是完全执行完成的，要么是未执行的，没有中间状态。这种特性使原子操作成为实现同步机制如互斥锁（mutexes）和信号量（semaphores）的理想选择。

原理：

原子操作的原理通常是基于硬件支持实现的。现代的CPU提供了一组特殊的指令，例如x86架构的CMPXCHG（比较并交换）和LOCK前缀指令，ARM架构的LDREX/STREX（加载-存储独占）指令等，它们可以用来创建无法被中断的操作序列。

实现：

原子操作在编程语言中通常以库的形式提供。例如，C++11及更高版本中提供了<atomic>头文件，支持多种原子操作。在Linux中，GCC提供了__sync和__atomic内置函数，用于实现原子操作。

原语（Primitives）

原语是操作系统提供的一组基础函数或操作，它们是建立更高级别同步构造（如锁、信号量等）的基础。在多任务和多线程编程中，这些原语通常用来控制资源的访问，保证在任何时刻只有一个线程可以使用该资源。

原理：

原语的实现依赖于操作系统内核提供的功能。操作系统设计了一套机制来确保在执行这些原语时可以维持进程间或线程间的同步。

实现：

操作系统通常提供系统调用或内核API来实现原语操作。例如，在Linux中，原语包括：

futexes（快速用户态互斥锁）: 一种在用户态提供锁机制的系统调用。
spinlocks: 在内核中广泛使用的一种忙等锁，适用于锁持有时间非常短的情况。

例子：原子操作实现自旋锁

自旋锁是一种简单的锁，它在等待锁释放时不断循环检查锁的状态，这就需要原子操作来确保检查和设置锁状态的操作是不可分割的。

typedef struct spinlock {volatile int lock;
} spinlock_t;// 初始化锁
void spinlock_init(spinlock_t *lock) {__atomic_clear(&lock->lock, __ATOMIC_RELAXED);
}// 获取锁
void spinlock_lock(spinlock_t *lock) {while (__atomic_test_and_set(&lock->lock, __ATOMIC_ACQUIRE)) {// 在这里自旋等待lock被释放}
}// 释放锁
void spinlock_unlock(spinlock_t *lock) {__atomic_clear(&lock->lock, __ATOMIC_RELEASE);
}

在上面的代码中，__atomic_test_and_set 是GCC的一个原子操作函数，它会设置lock变量的值，并返回它之前的值。如果之前的值是0，表示锁是可用的，函数则会获取锁。否则，它会进入自旋等待状态。释放锁时使用__atomic_clear来将lock设置为0。

原子操作和原语是构建并发控制机制的基石，它们的正确实现对于保证程序的正确性和效率至关重要。

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原语

内核或微核提供核外调用的过程或函数称为原语(primitive)。

原语是一段用机器指令编写的完成特定功能的程序,在执行过程中不允许中断。

BaiDu 解析

Introduction

操作系统用语范畴。　　primitive or atomic action 是由若干多机器指令构成的完成某种特定功能的一段程序，具有不可分割性.即原语的执行必须是连续的，在执行过程中不允许被中断　　不同层次之间对话的语言称为原语，即不同层之间通过原语来实现信息交换

Type：

请求（Req）型原语，用于高层向低层请求某种业务；

证实（Cfm）型原语，用于提供业务的层证实某个动作已经完成；

指示（Ind）型原语，用于提供业务的层向高层报告一个与特定业务相关的动作；

响应(Res)型原语，用于应答，表示来自高层的指示原语已收到。

Application

原语通常由若干条指令组成，用来实现某个特定的操作。

通过一段不可分割的或不可中断的程序实现其功能。

原语是操作系统的核心，它不是由进程而是由一组程序模块所组成，是操作系统的一个组成部分，它必须在管态(一种机器状态，管态下执行的程序可以执行特权和非特权两类指令，通常把它定义为操作系统的状态)下执行，并且常驻内存，而个别系统有一部分不在管态下运行。

原语和广义指令都可以被进程所调用，两者的差别在于原语有不可中断性，它是通过在执行过程中关闭中断实现的，且一般由系统进程调用。

许多广义指令的功能都可用目态(一种机器状态，通常把它作为用户程序执行时的状态)下运行的系统进程完成，而不一定要在管态下完成。

例如文件的建立、打开、关闭、删除等广义指令，都是借助中断进入管态程序，然后转交给相应的进程，最终由进程实现其功能。　　

引进原语的主要目的是为了实现进程的通信和控制。

原子操作

在多进程（线程）的操作系统中不能被其它进程（线程）打断的操作就叫原子操作，文件的原子操作是指操作文件时的不能被打断的操作。

原子还有一层意思，当该次操作不能完成的时候，必须回到操作之前的状态，原子操作不可拆分。

所有原子操作是同步的，而且不可被外部中断（内中断可以，不过一般是致命错误处理）。

也就是说，原子操作是中断安全的。

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线程安全

如果你的代码所在的进程中有多个线程在同时运行，而这些线程可能会同时运行这段代码。如果每次运行结果和单线程运行的结果是一样的，而且其他的变量的值也和预期的是一样的，就是线程安全的。或者说:一个类或者程序所提供的接口对于线程来说是原子操作或者多个线程之间的切换不会导致该接口的执行结果存在二义性,也就是说我们不用考虑同步的问题。

线程安全问题都是由全局变量及静态变量引起的。若每个线程中对全局变量、静态变量只有读操作，而无写操作，一般来说，这个全局变量是线程安全的；若有多个线程同时执行写操作，一般都需要考虑线程同步，否则就可能影响线程安全。

线程安全就是多线程访问时，采用了加锁机制，当一个线程访问该类的某个数据时，进行保护，其他线程不能进行访问直到该线程读取完，其他线程才可使用。不会出现数据不一致或者数据污染。线程不安全就是不提供数据访问保护，有可能出现多个线程先后更改数据造成所得到的数据是脏数据

原子操作（Atomic Operations）

原理：

实现：

原语（Primitives）

原理：

实现：

例子：原子操作实现自旋锁

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