多线程程序中操作的原子性 - Parallel Labs

0. 背景

原子操作就是不可再分的操作。在多线程程序中原子操作是一个非常重要的概念，它常常用来实现一些同步机制，同时也是一些常见的多线程Bug的源头。本文主要讨论了三个问题：1. 多线程程序中对变量的读写操作是否是原子的？2. 多线程程序中对Bit field（位域）的读写操作是否是线程安全的？3. 程序员该如何使用原子操作？

1. 多线程环境下对变量的读写操作是否是原子的？

我们先从一道很热门的百度笔试题讲起。很多人讲不清楚其背后的原理，下面我们就来对它进行一下剖析（其实这个题目有点歧义，后面我们会讲到）：

以下多线程对int型变量x的操作，哪几个需要进行同步：（）
A. x=y; B. x++; C. ++x; D. x=1;

要彻底理解这个问题，我们首先需要从硬件讲起。以常见的X86 CPU来说，根据Intel的参考手册，它基于以下三种机制保证了多核中加锁的原子操作（8.1节）：
（1）Guaranteed atomic operations （注：8.1.1节有详细介绍）
（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

这三个机制相互独立，相辅相承。简单的理解起来就是
（1）一些基本的内存读写操作是本身已经被硬件提供了原子性保证（例如读写单个字节的操作）；
（2）一些需要保证原子性但是没有被第（1）条机制提供支持的操作（例如read-modify-write）可以通过使用”LOCK#”来锁定总线，从而保证操作的原子性
（3）因为很多内存数据是已经存放在L1/L2 cache中了，对这些数据的原子操作只需要与本地的cache打交道，而不需要与总线打交道，所以CPU就提供了cache coherency机制来保证其它的那些也cache了这些数据的processor能读到最新的值（关于cache coherency可以参加我的一篇博文）。

那么CPU对哪些（1）中的基本的操作提供了原子性支持呢？根据Intel手册8.1.1节的介绍：

从Intel486 processor开始，以下的基本内存操作是原子的：
• Reading or writing a byte（一个字节的读写）
• Reading or writing a word aligned on a 16-bit boundary（对齐到16位边界的字的读写）
• Reading or writing a doubleword aligned on a 32-bit boundary（对齐到32位边界的双字的读写）

从Pentium processor开始，除了之前支持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（对齐到64位边界的四字的读写）
• 16-bit accesses to uncached memory locations that fit within a 32-bit data bus（未缓存且在32位数据总线范围之内的内存地址的访问）

从P6 family processors开始，除了之前支持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（对单个cache line中缓存地址的未对齐的16/32/64位访问）

那么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.（说点简单点，那些被总线带宽、cache line以及page大小给分隔开了的内存地址的访问不是原子的，你如果想保证这些操作是原子的，你就得求助于机制（2），对总线发出相应的控制信号才行）。

需要注意的是尽管从P6 family开始对一些非对齐的读写操作已经提供了原子性保障，但是非对齐访问是非常影响性能的，需要尽量避免。当然了，对于一般的程序员来说不需要太担心这个，因为大部分编译器会自动帮你完成内存对齐。

回到最开始那个笔试题。我们先反汇编一下看看它们到底执行了什么操作：

x = y;
mov eax,dword ptr [y]
mov dword ptr [x],eax

x++;
mov eax,dword ptr [x]
add eax,1
mov dword ptr [x],eax

++x;
mov eax,dword ptr [x]
add eax,1
mov dword ptr [x],eax

x = 1;
mov dword ptr [x],1

（1）很显然，x=1是原子操作。
因为x是int类型，32位CPU上int占32位，在X86上由硬件直接提供了原子性支持。实际上不管有多少个线程同时执行类似x=1这样的赋值语句，x的值最终还是被赋的值（而不会出现例如某个线程只更新了x的低16位然后被阻塞，另一个线程紧接着又更新了x的低24位然后又被阻塞，从而出现x的值被损坏了的情况）。

（2）再来看x++和++x。
其实类似x++, x+=2, ++x这样的操作在多线程环境下是需要同步的。因为X86会按三条指令的形式来处理这种语句：从内存中读x的值到寄存器中，对寄存器加1，再把新值写回x所处的内存地址（见上面的反汇编代码）。

例如有两个线程，它们按照如下顺序执行（注意读x和写回x是原子操作，两个线程不能同时执行）：

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

我们会发现最终x的值会是1而不是2，因为Thread 1的结果被覆盖掉了。这种情况下我们就需要对x++这样的操作加锁（例如Pthread中的mutex）以保证同步，或者使用一些提供了atomic operations的库（例如Windows API中的atomic库，Linux内核中的atomic.h，Java concurrent库中的Atomic Integer，C++0x中即将支持的atomic_int等等，这些库会利用CPU提供的硬件机制做一层封装，提供一些保证了原子性的API）。

（3）最后来看看x=y。
在X86上它包含两个操作：读取y至寄存器，再把该值写入x。读y的值这个操作本身是原子的，把值写入x也是原子的，但是两者合起来是不是原子操作呢？我个人认为x=y不是原子操作，因为它不是不可再分的操作。但是它需要不需要同步呢？其实问题的关键在于程序的上下文。

例如有两个线程，线程1要执行{y = 1; x = y;}，线程2要执行{y = 2; y = 3;}，假设它们按如下时间顺序执行：

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

那么最终线程1中x的值为2，而不是它原本想要的1。我们需要加上相应的同步语句确保y = 2不会在线程1的两条语句之间发生。y = 3那条语句尽管在load y和store x之间执行，但是却不影响x=y这条语句本身的语义。所以你可以说x=y需要同步，也可以说x=y不需要同步，看你怎么理解题意了。x=1是否需要同步也是一样的道理，虽然它本身是原子操作，但是如果有另一个线程要读x=1之后的值，那肯定也需要同步，否则另一个线程读到的就是x的旧值而不是1了。

2. 对Bit field（位域）的读写操作是否是线程安全的？

Bit field常用来高效的存储有限位数的变量，多用于内核/底层开发中。一般来说，对同一个结构体内的不同bit成员的多线程访问是无法保证线程安全的。

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);

两个线程分别对my_foo.flag和my_foo.counter进行读写操作，但是即使有上面的加锁方式仍然不能保证它是线程安全的。原因在于不同的成员在内存中的具体排列方式“跟Byte Order、Bit Order、对齐等问题都有关，不同的平台和编译器可能会排列得很不一样，要编写可移植的代码就不能假定Bit-field是按某一种固定方式排列的”[3]。而且一般来讲CPU对内存操作的最小单位是word（X86的word是16bits），而不是1bit。这就是说，如果my_foo.flag和my_foo.counter存储在同一个word里，CPU在读写任何一个bit member的时候会同时把两个值一起读进寄存器，从而造成读写冲突。这个例子正确的处理方式是用一个mutex同时保护my_foo.flag和my_foo.counter，这样才能确保读写是线程安全的。

在C++0x草案中对bit field是这样定义的：
连续的多个非0bit的bit fields是属于同一个memory location的；长度为0bit的bit field会把占单独的一个memory location。对同一个memory location的读写不是线程安全的；对不同memory location的读写是线程安全的。
例如在下图的例子中bf1和bf2是同一个memory location，bf3是一个单独的memory location，bf4是一个单独的memory location：
bit field

这里有一个因为Bit field不是线程安全所导致的一个Linux内核中的Bug。

引用一下Pongba的总结：

所以，如果你的多个bitfields是连续的，同时又想要无冲突的读取它们，有两种做法，一是在中间用0大小bitfield隔开，但这种做法实际上就消除了bitfield的节省内存的初衷，因为为了使它们不冲突，至少被隔开的两个bitfield肯定不可能共享byte了。另一种做法当然就是用锁了。

3. 程序员该怎么用Atomic操作？

一般情况下程序员不需要跟CPU提供的原子操作直接打交道，所以只需要选择语言或者平台提供的atomic API即可。而且使用封装好了的API还有一个好处是它们常常还提供了诸如compare_and_swap，fetch_and_add这样既有读又有写的较复杂操作的封装。

常见的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. 参考文献：

[1] 关于变量操作的原子性(atomicity)FAQ
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Atomic_operation
[3] 关于内存对齐、bit field等 –《Linux C编程一站式学习》
[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
[7] http://www.newsmth.net/bbscon.php?bid=335&id=209239
[8] http://www.newsmth.net/bbscon.php?bid=335&id=186723
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