原子操作如何在 x86 处理器上工作：缓存、内存和原子性？

x86 上的原子操作：内部视角

与建议内存操作直接在 RAM 上执行的初步印象不同，原子操作被限制在缓存。内核之间的这种一致性以及缓存一致性 DMA 的使用确保内存访问对于系统中的所有观察者来说都是原子的。

原子性显然与内存排序无关，并且最多保留 64 位的对齐加载和存储原子性，与顺序无关。这是因为此类操作可以在内核、内存和 PCIe 总线之间的宽数据路径内执行，从而确保不可分割性，而无需额外的硬件。

CPU 凭借其能力保证了对齐加载和存储的原子性以原子方式修改缓存行。这允许原子操作完全在缓存内发生，而不必到达主内存。然而，比数据路径更宽的存储需要使用所有访问都遵守的锁进行保护。

原子读-修改-写 (RMW) 操作带来了更大的挑战。为了以原子方式执行 RMW，内核将高速缓存行维护为已修改状态，以防止外部修改，直到操作完成。对于未对齐的 RMW，可能需要实际的 DRAM 存储来强制跨多个缓存行的原子性，可能需要断言总线锁。

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