原子操作

并发推理的根本困难在于交错：$n$ 个线程各走若干步，可能的交错数量呈指数增长，逐一分析不可行。原子性是压缩这种复杂度的基本手段——把"许多小步"封装成"一大步"之后，观察者的世界里每个操作要么尚未发生、要么已全部发生，不存在完成一半的可见时刻，于是所有推理都可以在"操作序列"而非"指令交错"的粒度上进行。一个诚实的类比是照相机快门：无论内部机械多复杂，底片上只留下一个瞬间。但要注意这个类比的失效之处：原子性只承诺单个操作不可分割，丝毫不承诺多个原子操作的组合仍然不可分割——这正是大量并发 bug 的来源。

正例：原子读写寄存器保证读操作永远返回某次完整写入的值，不会出现"撕裂值"。反面对照能看清它防住了什么：在只支持 32 位原子访问的机器上用两条指令写一个 64 位数，并发读者可能读到"前一半旧值、后一半新值"拼成的从未被写入过的数——原子性排除的正是这种中间状态泄露。

边界情形之一是复合操作：先原子地读 $x$、再在 $x$ 满足条件时原子地写，这两步各自原子，但整体不原子——另一线程可在两步之间修改 $x$，造成 check-then-act 竞态。消除它需要把"读—判—写"合并为单个原子的读改写公理库读改写原语Read-modify-write operation · RMW在单个原子步骤中读取旧值、计算并写入新值的共享内存操作。操作，例如比较并交换公理库比较并交换Compare-and-swap · CAS原子地比较内存值并在相等时写入新值、同时返回比较结果的读改写原语。。之二是术语歧义：数据库事务的"原子性"指故障时全做或全不做（失败原子性），与这里的并发不可分割性相关但不相同。之三是排序：硬件原子指令的语义还涉及内存排序、访问宽度与对齐，原子性本身不提供跨位置的顺序保证，弱内存模型下仍需 acquire/release 等排序约束才能建立线程间的可见性推理。

原子 fetch_add 可避免两个线程同时递增时丢失更新；普通“读计数、加一、写回”由三步组成，可能发生竞态。两个原子变量分别更新并不能保证读者只看到“两者都旧或都新”。在弱内存模型下，原子操作还需选择 acquire/release 等顺序语义。

原子操作是同步对象的实现基础：互斥锁公理库互斥锁Mutex · Mutex lock · 互斥量以所有权和阻塞语义封装临界区互斥的同步对象。可用原子测试与更新转移所有权，信号量公理库信号量Semaphore · Counting semaphore · 信号灯以非负计数保存可用许可，并用原子等待与释放操作协调容量或事件的同步原语。实现则需原子维护许可计数及等待队列状态，引用计数依赖原子增减，无锁数据结构以比较并交换为骨架并追求lock-free 进展公理库无锁进展Lock-free progress · Lock-freedom系统整体保证在有限步内有某个操作完成，而不保证指定线程。。这些对象各自还规定所有权、阻塞或唤醒语义，不能从“底层更新是原子的”直接推出完整接口正确性。

在正确性理论中，为每个操作指定线性化点是证明线性一致性公理库线性一致性Linearizability每次操作可放置在调用与返回之间的单点，使历史等价于满足实时顺序的顺序规范。的标准手法，原子操作因此连接实现与顺序规格。不同原子原语的表达力并不相同；它们能为多少参与者实现何种对象，由共识数层级公理库共识数与 Wait-free 层级Consensus number · Consensus hierarchy · Wait-free hierarchy以对象类型可为多少参与者 Wait-free 地解决共识来分类同步原语的表达能力。统一刻画。