多线程环境下对变量的读写操作的原子性问题

桃扇骨 2022-06-09 23:25 156阅读 0赞

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;  
  
从表面看上去实在是看不出什么突破口，我们不妨将这些代码译成汇编语言再来分析。  
  
   
  
01  x = y;   
  
02  mov eax,dword ptr \[y\]   
  
03  mov dword ptr \[x\],eax   
  
04     
  
05  x++;   
  
06  mov eax,dword ptr \[x\]   
  
07  add eax,1   
  
08  mov dword ptr \[x\],eax   
  
09     
  
10  ++x;   
  
11  mov eax,dword ptr \[x\]   
  
12  add eax,1   
  
13  mov dword ptr \[x\],eax   
  
14     
  
15  x = 1;   
  
16  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。这样情况下我们就需要对x++这样的操作加锁（例如Pthread中的mutex）来保证同步，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。