0. 背景
原子操作 就是不可再分的操作。在多線程程式中原子操作是一個非常重要的概念，它常常用來實作一些同步機制，同時也是一些常見的多線程Bug的源頭。本文主要讨論了三個問題：1. 多線程程式中對變量的讀寫操作是否是原子的？2. 多線程程式中對Bit field(位域)的讀寫操作是否是線程安全的？3. 程式員該如何使用原子操作？
1. 多線程環境下對變量的讀寫操作是否是原子的？
我們先從一道很熱門的百度筆試題講起。很多人講不清楚其背後的原理，下面我們就來對它進行一下剖析(其實這個題目有點歧義，後面我們會講到)：
以下多線程對int型變量x的操作，哪幾個需要進行同步：( )A. x=y; B. x++; C. ++x; D. x=1;
要徹底了解這個問題，我們首先需要從硬體講起。以常見的X86 CPU來說，根據Intel的 參考手冊 ，它基于以下三種機制保證了多核中加鎖的原子操作(8.1節)：
(1)Guaranteed atomic operations (注：8.1.1節有詳細介紹)
(2)Bus locking, using the LOCK# signal and the LOCK instruction prefix
(3)Cache coherency protocols that ensure that atomic operations can be carried out on cached data structures (cache lock); this mechanism is present in the Pentium 4, Intel Xeon, and P6 family processors
這三個機制互相獨立，相輔相承。簡單的了解起來就是
(1)一些基本的記憶體讀寫操作是本身已經被硬體提供了原子性保證(例如讀寫單個位元組的操作)；
(2)一些需要保證原子性但是沒有被第(1)條機制提供支援的操作(例如read-modify-write)可以通過使用”LOCK#”來鎖定總線，進而保證操作的原子性
(3)因為很多記憶體資料是已經存放在L1/L2 cache中了，對這些資料的原子操作隻需要與本地的cache打交道，而不需要與總線打交道，是以CPU就提供了cache coherency機制來保證其它的那些也cache了這些資料的processor能讀到最新的值(關于cache coherency可以參加我的一篇博文)。
那麼CPU對哪些(1)中的基本的操作提供了原子性支援呢？根據Intel手冊8.1.1節的介紹：
從Intel486 processor開始，以下的基本記憶體操作是原子的：
• Reading or writing a byte(一個位元組的讀寫)
• Reading or writing a word aligned on a 16-bit boundary(對齊到16位邊界的字的讀寫)
• Reading or writing a doubleword aligned on a 32-bit boundary(對齊到32位邊界的雙字的讀寫)
從Pentium processor開始，除了之前支援的原子操作外又新增了以下原子操作：
• Reading or writing a quadword aligned on a 64-bit boundary(對齊到64位邊界的四字的讀寫)
• 16-bit accesses to uncached memory locations that fit within a 32-bit data bus(未緩存且在32位資料總線範圍之内的記憶體位址的通路)
從P6 family processors開始，除了之前支援的原子操作又新增了以下原子操作：• Unaligned 16-, 32-, and 64-bit accesses to cached memory that fit within a cache line(對單個cache line中緩存位址的未對齊的16/32/64位通路)
那麼哪些操作是非原子的呢？
Accesses to cacheable memory that are split across bus widths, cache lines, and
page boundaries are not guaranteed to be atomic by the Intel Core 2 Duo, Intel®
Atom™, Intel Core Duo, Pentium M, Pentium 4, Intel Xeon, P6 family, Pentium, and
Intel486 processors.(說點簡單點，那些被總線帶寬、cache line以及page大小給分隔開了的記憶體位址的通路不是原子的，你如果想保證這些操作是原子的，你就得求助于機制(2)，對總線發出相應的控制信号才行)。
需要注意的是盡管從P6 family開始對一些非對齊的讀寫操作已經提供了原子性保障，但是非對齊通路是非常影響性能的，需要盡量避免。當然了，對于一般的程式員來說不需要太擔心這個，因為大部分編譯器會自動幫你完成記憶體對齊。
回到最開始那個筆試題。我們先反彙編一下看看它們到底執行了什麼操作：
x = y;mov eax,dword ptr [y]mov dword ptr [x],eaxx++;mov eax,dword ptr [x]add eax,1mov dword ptr [x],eax++x;mov eax,dword ptr [x]add eax,1mov dword ptr [x],eaxx = 1;mov dword ptr [x],1
(1)很顯然，x=1是原子操作。因為x是int類型，32位CPU上int占32位，在X86上由硬體直接提供了原子性支援。實際上不管有多少個線程同時執行類似x=1這樣的指派語句，x的值最終還是被賦的值(而不會出現例如某個線程隻更新了x的低16位然後被阻塞，另一個線程緊接着又更新了x的低24位然後又被阻塞，進而出現x的值被損壞了的情況)。
(2)再來看x++和++x。其實類似x++, x+=2, ++x這樣的操作在多線程環境下是需要同步的。因為X86會按三條指令的形式來處理這種語句：從記憶體中讀x的值到寄存器中，對寄存器加1，再把新值寫回x所處的記憶體位址(見上面的反彙編代碼)。
例如有兩個線程，它們按照如下順序執行(注意讀x和寫回x是原子操作，兩個線程不能同時執行)：
time Thread 1 Thread 2
0 load eax, x
1 load eax, x
2 add eax, 1 add eax, 1
3 store x, eax
4 store x, eax
我們會發現最終x的值會是1而不是2，因為Thread 1的結果被覆寫掉了。這種情況下我們就需要對x++這樣的操作加鎖(例如Pthread中的mutex)以保證同步，或者使用一些提供了atomic operations的庫(例如Windows API中的 atomic庫 ，Linux核心中的 atomic.h ，Java concurrent庫中的Atomic Integer，C++0x中即将支援的atomic_int等等，這些庫會利用CPU提供的硬體機制做一層封裝，提供一些保證了原子性的API)。
(3)最後來看看x=y。在X86上它包含兩個操作：讀取y至寄存器，再把該值寫入x。讀y的值這個操作本身是原子的，把值寫入x也是原子的，但是兩者合起來是不是原子操作呢？我個人認為x=y不是原子操作，因為它不是不可再分的操作。但是它需要不需要同步呢？其實問題的關鍵在于程式的上下文。
例如有兩個線程，線程1要執行{y = 1; x = y;}，線程2要執行{y = 2; y = 3;}，假設它們按如下時間順序執行：
time Thread 1 Thread 2
0 store y, 1
1 store y, 2
2 load eax, y
3 store y, 3
4 store x, eax
那麼最終線程1中x的值為2，而不是它原本想要的1。我們需要加上相應的同步語句確定y = 2不會線上程1的兩條語句之間發生。y = 3那條語句盡管在load y和store x之間執行，但是卻不影響x=y這條語句本身的語義。是以你可以說x=y需要同步，也可以說x=y不需要同步，看你怎麼了解題意了。x=1是否需要同步也是一樣的道理，雖然它本身是原子操作，但是如果有另一個線程要讀x=1之後的值，那肯定也需要同步，否則另一個線程讀到的就是x的舊值而不是1了。
2. 對Bit field(位域)的讀寫操作是否是線程安全的？
Bit field 常用來高效的存儲有限位數的變量，多用于核心/底層開發中。一般來說，對同一個結構體内的不同bit成員的多線程通路是無法保證線程安全的。
例如 Wikipedia 中的如下例子：
struct foo { int flag : 1; int counter : 15;};struct foo my_foo;/* ... *//* in thread 1 */pthread_mutex_lock(&my_mutex_for_flag);my_foo.flag = !my_foo.flag;pthread_mutex_unlock(&my_mutex_for_flag);/* in thread 2 */pthread_mutex_lock(&my_mutex_for_counter);++my_foo.counter;pthread_mutex_unlock(&my_mutex_for_counter);
兩個線程分别對my_foo.flag和my_foo.counter進行讀寫操作，但是即使有上面的加鎖方式仍然不能保證它是線程安全的。原因在于不同的成員在記憶體中的具體排列方式“跟Byte Order、Bit Order、對齊等問題都有關，不同的平台和編譯器可能會排列得很不一樣，要編寫可移植的代碼就不能假定Bit-field是按某一種固定方式排列的”[3]。而且一般來講CPU對記憶體操作的最小機關是 word (X86的word是16bits)，而不是1bit。這就是說，如果my_foo.flag和my_foo.counter存儲在同一個word裡，CPU在讀寫任何一個bit member的時候會同時把兩個值一起讀進寄存器，進而造成讀寫沖突。這個例子正确的處理方式是用一個mutex同時保護my_foo.flag和my_foo.counter，這樣才能確定讀寫是線程安全的。
在 C++0x草案 中對bit field是這樣定義的：
連續的多個非0bit的bit fields是屬于同一個memory location的；長度為0bit的bit field會把占單獨的一個memory location。對同一個memory location的讀寫不是線程安全的；對不同memory location的讀寫是線程安全的。
例如在下圖的例子中bf1和bf2是同一個memory location，bf3是一個單獨的memory location，bf4是一個單獨的memory location：
這裡有一個因為Bit field不是線程安全所導緻的一個Linux核心中的 Bug 。
引用一下Pongba的 總結 ：
是以，如果你的多個bitfields是連續的，同時又想要無沖突的讀取它們，有兩種做法，一是在中間用0大小bitfield隔開，但這種做法實際上就消除了bitfield的節省記憶體的初衷，因為為了使它們不沖突，至少被隔開的兩個bitfield肯定不可能共享byte了。另一種做法當然就是用鎖了。
3. 程式員該怎麼用Atomic操作？
一般情況下程式員不需要跟CPU提供的原子操作直接打交道，是以隻需要選擇語言或者平台提供的atomic API即可。而且使用封裝好了的API還有一個好處是它們常常還提供了諸如compare_and_swap，fetch_and_add這樣既有讀又有寫的較複雜操作的封裝。
常見的API如下：
Windows上 InterlockedXXXX 的API
GNU/Linux上linux kernel中 atomic_32.h
GCC中的 Atomic Builtins (__sync_fetch_and_add()等)
Java中的java.util.concurrent.atomic
C++0x中的 atomic operation
Intel TBB中的 atomic operation
4. 參考文獻：
[1] 關于變量操作的原子性(atomicity)FAQ
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_operation
[3] 關于記憶體對齊、bit field等 –《Linux C程式設計一站式學習》
[4] Do you need mutex to protect an ‘int’?
[5] C++ Concurrency in Action
[6] Multithreaded simple data type access and atomic variables
[6] http://www.newsmth.net/bbscon.php?bid=335&id=236629
http://www.newsmth.net/bbscon.php?bid=335&id=209239
http://www.newsmth.net/bbscon.php?bid=335&id=186723
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