操作系統中，對共享資源的訪問需要有同步互斥機制來保證其邏輯的正確性，而這一切的基礎便是原子操作。

　原子操作從定義上理解，應當是類似原子的，不可再分的操作；然而實際上稍有不同，較為準確的定義應當是：不可被打斷的一個或一系列操作。

　　在單處理器系統中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認為是“原子操作”，因為中斷只發生在指令邊緣。在多處理器結構中就不同了，由于系統中有多個處理器獨立運行，即使能在單條指令中完成的操作也有可能受到干擾。在X86平臺上，CPU提供了在指令執行期間對總線加鎖的手段。CPU上有一根引線#HLOCK pin連到北橋芯片，如果在匯編程序的指令前面加上前綴"LOCK"，經過匯編以后的機器代碼就使CPU在執行這條指令的時候把#HLOCK pin的電位拉低，直到這條指令執行結束時才放開，從而將總線鎖住，這樣同一總線上別的CPU就暫時不能通過總線訪問內存了，保證了這條指令在多處理器環境中對內存訪問的原子性。

　　我們來看一個例子，假設我們用兩個線程，完成對全局變量 index 的自增至10的功能，我們這樣寫線程函數：

　　執行結果如下，可以看到執行了兩次，但結果卻不一樣（不是想象的值為10），事實上每次執行的結果都可能不一樣。理論上，兩個線程分別同時執行5次自增操作，只要執行正確應該總是得到10的結果，但是可以看到兩個線程雖然可以交叉執行，index的值卻不是從1增長到10。圖中mthread程序第一次執行時，線程一將index增加到5后，線程二居然得到了2的結果，這是怎么回事？

　　我們知道，在計算機中，變量的值是存儲在內存中的，要知道一個存儲在內存中的變量的值就需要讀內存，需要更新這個變量的值就必須寫回去。如果這整個操作是不可打斷的，那么是不會出現上面的結果的，所以中間肯定是出現了什么問題。事實上i++這種操作確實不是原子的，程序編譯成匯編代碼后就可以看到，i++實際上是由Read（讀）-Modify（改）-Write（寫） 3個操作實現的：

　　如上圖所示，兩個線程分別在兩個處理器核上執行，假設i的值剛開始是0，線程1先讀取i的值，放到ax寄存器中，此時線程2也讀取i的值，接著add eax,1，然后回寫到i的地址中，此時i的值為1；之后線程1中再執行add eax,1，再回寫到i的地址，所以i的值就是1，而不是2。如果需要將i++變成原子的就需要一些額外的方式。

　　有了上述的感官認識，現在來說實現就順理成章了。Linux中對原子操作的實現主要在linux-2.6.28/arch/x86/include/asm 目錄下的Atomic_32.h 中，包括了一系列內聯函數（因為這些函數的代碼都不長，基本都采用內嵌匯編代碼編寫）。首先來看原子類型的數據結構 atomic_t的定義：

1 /*2  * Make sure gcc doesn't try to be clever and move things around3  * on us. We need to use _exactly_ the address the user gave us,4  * not some alias that contains the same information.5  */6 typedef struct {7     int counter;8 } atomic_t;

　　接著來看如何實現原子操作：

 1 /** 2  * atomic_add - add integer to atomic variable 3  * @i: integer value to add 4  * @v: pointer of type atomic_t 5  * 6  * Atomically adds @i to @v. 7  */ 8 static inline void atomic_add(int i, atomic_t *v) 9 {10     asm volatile(LOCK_PREFIX "addl %1,%0"11              : "+m" (v->counter)12              : "ir" (i));13 }

　　上面這段代碼截自Atomic_32.h,即原子的加操作。這個函數的實現采用了內嵌匯編的方式，首先聲明LOCK前綴（實際上是一個宏定義)，以原子的方式執行指令addl %1，%0，表示將輸入操作數和輸出操作數編號，將輸入和輸出相加后輸出。其中“+m”中加號表示輸出是可讀可寫的，括號內注明了是原子變量v->counter；m表示輸出存儲在內存之中。“ir”中 i 表示輸入是一個直接操作數，r表示這里輸入 i 是存儲在寄存器中的。

　　原子的加有了，原子的減自然也不難：

 1 /** 2  * atomic_sub - subtract integer from atomic variable 3  * @i: integer value to subtract 4  * @v: pointer of type atomic_t 5  * 6  * Atomically subtracts @i from @v. 7  */ 8 static inline void atomic_sub(int i, atomic_t *v) 9 {10     asm volatile(LOCK_PREFIX "subl %1,%0"11              : "+m" (v->counter)12              : "ir" (i));13 }

　　其他的原子操作就不舉例了，總之原理就是這樣，在有競爭的訪問中，有時需要保證操作最后執行的邏輯正確性，就必須將某些操作或者指令設置為原子的。原子操作是其他的一些同步互斥機制的基礎，有了原子操作就可以實現多核系統中其他的同步互斥機制了。

[1].http://edsionte.com/techblog/archives/1809

[2].http://blog.csdn.net/qb_2008/article/details/6840808