从硬件角度来看，原子操作如何保证一致性？

Question

1. 据我所知，原子指令确保在执行时，没有其他线程可以修改该数据（就像临界区一样）。我对么？
2. 这是如何在硬件中实现的？
3. 硬件如何保证这一点？（硬件内部是否生成三个微指令：解锁、修改、锁定？）
4. 仅使用互斥锁与原子指令有什么区别？唯一的区别是指令的数量（原子的 1 条指令，普通互斥体的多条指令）？
5. 指令数量的差异（1 对多）是否保证正确性（如使用互斥锁）和一致性？

Answer 1

在大多数现代 CPU 上，原子操作通过锁定 CPU 缓存中受影响的内存地址来工作。CPU 仅在其高速缓存中获取内存地址，然后不允许任何其他 CPU 获取或共享该地址，直到操作完成。

Answer 2

细节很复杂；在单个处理器中，它很简单，可以在微代码级别实现某种等效的“锁定、修改、解锁”或其他技术。

一旦您拥有多个处理器，主题就会变得复杂，尤其是考虑到缓存效应。像MSI和衍生MESI、MOSI、MOESI这样的协议在现代英特尔处理器中支持这一点。

WikiPedia 在缓存一致性方面也有很好的总结。

关于互斥锁与原子指令：互斥锁或多或少是一种协议，即将使用一位内存以原子方式允许一个人将其设置为特定状态。这意味着它可以使用原子操作来保护非原子操作——双方都同意的协议，假装你可以在比实际更大的范围内实现原子操作。