OS 中的原子事务

在操作系统中，不可分割、不可中断的操作称为 原子操作。 它们在多线程或多进程环境中至关重要，以保证数据同步和完整性。通过这些活动可以避免竞态条件（即多个线程或进程同时访问共享资源，可能导致意外行为或数据损坏），这对于保持一致性至关重要。

简而言之，原子操作 确保对共享数据结构的特定操作作为一个单一的、不间断的过程执行，不受其他线程或活动的干扰。通常，这可以通过处理器的专门指令或硬件支持来实现。

共享内存的写入和升级只是原子操作的另一个正常元素。算术操作和标志操作（包括标志更改和计数器递增）是一些示例。如果没有这些进程中可用的原子性，由于多个线程或进程执行不一致而可能出现的竞态条件可能会导致不正确的结果。

操作系统通常具有相同的目的的实用程序，以原子方式操作系统内存，从互斥体（相互排斥锁）到原子比较和交换（CAS）指令。由于 CAS（比较和交换），线程可以原子地将本地内存中的特定值与预期值进行比较，并在它们相同时将内存内容更改为新值。这是一个有助于保持原子性的功能，因为只有当预期值与读取时相同，才会应用更改。

在本文中，我们将讨论原子事务的类型、原子事务的必要性、原子事务的优缺点以及原子事务对操作系统造成的影响。

原子事务的类型

在并发编程中，原子操作是必要的，以确保对共享数据的某些操作是独立执行的，不受其他线程或进程的干扰。这些过程确保数据完整性并避免竞态条件，竞态条件发生在多个线程同时使用共享资源时，可能会导致错误行为或损坏数据。以下是一些典型原子操作的示例

1. 读-修改-写操作

这些操作以原子方式读取内存中当前的值，进行任何必要的修改，然后将更新后的值写回原始位置。例如，考虑以下情况

• 递增和递减是使变量值增加或减少一的原子操作。
• 位操作：位字段特有的原子操作，用于位字段特有的设置、清除或切换。
• 数字的原子加、减、乘、除称为算术运算。

2. 测试并设置操作

• 它也称为原子测试并设置或原子设置操作，这些操作涉及评估内存位置的值，并且在满足条件的情况下，以原子方式将其设置为新值。
• 它经常用于锁和互斥系统的实现。

3. 比较和交换 (CAS) 操作

• 这些涉及有条件地更新内存位置。通常，它们涉及如果内存位置的值与预期值匹配，则将内存位置更新为新值。
• 使用 CAS 过程实现无锁数据结构和同步原语很常见。

4. 获取并添加操作

• 或者称为原子增量操作，获取并添加操作涉及检索内存位置的当前值，然后以原子方式向其追加指定值。
• 它经常用于管理共享资源，例如计数器，其中不同的线程可以同时更新相同的计数器。

5. 交换操作

• 交换操作是以原子方式交换两个内存区域的内容。
• 这在许多线程需要以原子方式更新单独变量的情况下可能很有用，例如在实现同步原语或以线程安全的方式更新共享变量时。

通过确保在多线程或多进程环境中安全可靠地执行对共享数据结构的关键操作，这些原子操作构成了开发可靠和有效并发软件系统的基石。最终，它们通过防止竞态条件和维护数据完整性，有助于在现代操作系统上运行的软件程序的稳定性和准确性。

为什么需要原子事务？

由于多种原因，主要是保护数据完整性、避免竞态条件和在多线程或多进程环境中实现有效同步的需要，原子操作在并发编程中至关重要。

1. 数据完整性

• 多个线程或进程可能在并发环境中同时访问和更改共享数据。
• 在没有原子操作的情况下，交错执行增加了数据损坏的可能性。
• 为了避免不一致的状态或损坏的数据，原子操作保证对共享数据的特定操作作为一个单一的、不可分割的单元执行。

2. 防止竞态条件

• 竞态条件发生时，程序的执行结果取决于并发执行期间不可预测的事件序列。
• 通过提供对共享资源的独占访问方法，原子操作有助于减少竞态条件。
• 原子操作通过保证代码的关键部分以原子方式执行，从而避免了多个线程以不安全的方式并发修改共享数据的情况。

3. 同步

• 通过提供协调对共享资源访问的有效方法，原子操作有助于同步线程或进程。
• 为了强制执行互斥和保持一致性，同步原语（如互斥体、信号量或原子比较和交换 (CAS) 操作）依赖于原子性。
• 通过使线程能够协调其活动，这些原语保证对共享数据的操作以可预测和受控的方式发生。

4. 性能优化

• 在某些情况下，原子操作还可以提高性能。例如，无锁数据结构通过使用原子操作提供线程安全访问来消除传统锁和互斥体的开销。
• 在高度并发的情况下，无锁算法通常可以通过最大程度地减少争用并降低线程序列化的要求，从而优于基于互斥体的等效算法。

5. 硬件和编译器支持

• 使用诸如获取并添加或比较并交换 (CAS) 等专用指令，现代处理器为原子操作提供硬件支持。
• 此外，通过语言特性或库，编译器和编程语言为原子操作提供内置支持，抽象底层硬件细节并为并发编程提供可移植接口。

总的来说，原子操作是保证并发软件系统准确性、可靠性和有效性所必需的。在现代操作系统和多线程应用程序中，原子操作提供对共享资源的安全和同步访问，避免竞态条件，并促进有效的并行执行。

操作系统中原子事务的优缺点

具有原子事务的操作系统既有优点也有缺点，特别是在保证数据一致性和可靠性方面。我们将在下面探讨原子事务的优缺点

好处

1. 数据一致性

• 原子事务确保在一组特定活动中发生某项活动时，所有活动都能顺利进行，否则将完全失败。
• 它将通过中断某些事务成功而另一些事务失败的进程来帮助防止这些事件，从而导致数据不一致。
• 基本上，原子事务通过记录所有修改的结果并在出现任何问题时进行回滚来确保数据不受风险。

2. 错误恢复

• 原子（事务）通过在出现故障或错误时回滚修改的填充效果来促进错误修正。
• 事务在执行期间遇到错误时可以终止或回滚，并撤消任何更改或效果。
• 这是通过验证数据并填充 100% 的更新来完成的，这就是它们不会损坏和不一致的原因。

3. 并发控制

• 原子事务对于并发控制特别重要，因为它们保证并发操作之间的隔离，从而使其并行运行。
• 原子事务使多个事务能够并发运行而不会中断彼此的进程，从而通过版本控制、锁定以及乐观并发控制等方法提高系统性能和吞吐量。

4. ACID 特性

原子事务的部分成功是数据库事务 ACID 特性的体现。

• 原子性：为了提供事务的原子性，它可以完全执行，也可以完全取消。
• 一致性：完整性是事务的特性之一，有助于维护系统中的数据一致性。
• 隔离发生在事务相互同时执行时。
• 持久性：永久性更改对系统内的中断具有弹性且不变，确保更改的长期寿命。

5. 应用灵活性

• 原子事务提供了一种强大而灵活的方式来处理涉及更新大量数据的复杂进程。
• 无论数据管理如何，应用程序都将这些操作集进行 SOA 包装成事务，这些事务以原子方式和一致方式完成。

缺点

1. 性能开销

• 涉及原子事务的交易可能会产生额外的费用，其中涉及并发控制技术或锁定。
• 锁争用、事务回滚以及与事务一致性相关的许多其他开销可能会对系统性能产生不利影响，即使在大规模情况下也是如此。

2. 资源利用率

• 在事务过程中，原子事务可能会继续进行，利用锁或内存等资源。
• 长期资源所有权可能导致响应时间增加以及资源争用导致的扩展性问题，甚至导致致命的死锁条件，在这种情况下，事务将永远挂起，直到必要的资源可用为止。

3. 复杂性

• 实现和维护原子事务会导致更混乱的系统架构和编程逻辑。
• 因此，在开发此软件时需要注意并发控制、事务边界和错误处理，这会增加开发时间和系统复杂性。

4. 并发控制开销

• 虽然原子事务支持确定性并发控制，但锁定和乐观并发控制——以确保一致性和隔离——可能会增加额外的开销。
• 系统性能和可扩展性可能会受到锁争用、事务序列化和冲突解决机制的显著影响，尤其是在高度并行化的场景中。

5. 存储和日志记录开销

• 原子事务在很大程度上依赖于日志记录和存储技术，这些技术有助于记录修改并维护事务一致性，以实现一致性、持久性和可恢复性。
• 这可能会导致更多的 I/O 和存储开销；因此，所使用的资源会影响系统性能。

简而言之，原子事务具有多项优点，例如并发管理、数据完整性和持久性的可靠性。另一方面，它们也可能导致缺点，例如用户复杂性、资源消耗和性能下降。设计人员和系统开发人员反过来应该仔细权衡利弊，并根据具体的限制和需求为其系统选择最佳的事务机制。

原子事务对操作系统的影响

操作系统操作的原子事务是受数据完整性、并发管理和可靠性影响最大的单元。以下是它们影响的简要总结：以下是它们影响的简要总结

1. 数据完整性

• 原子事务的成功意味着所有事件链要么全部通过，要么全部失败。
• 当更新不完整或状态不一致时，它也被称为数据完整性，有助于在操作系统中产生精确性和可靠性。

2. 并发控制

• 原子事务可以成为由选定人数同时使用共享资源的工具。
• 事务促进了多个进程或线程在相似数据上操作的共存，而不会干扰一致性或损害公平访问规则。
• 它们通过非锁定、隔离、锁定或乐观并发控制来实现这一点。

3. 容错性和可靠性

• 原子事务有助于容错和错误恢复。在系统问题、崩溃或故障的情况下，事务可以取消并回滚到其初始状态，从而保证数据可恢复且一致。
• 这降低了数据丢失或损坏的可能性，并提高了操作系统可靠性。

4. ACID 特性

数据库事务的 ACID 特性部分是通过原子事务实现的。

• 原子性： 为确保原子性，事务要么完全完成，要么完全中止。
• 一致性： 事务通过维护数据一致性来维护完整性限制。
• 隔离是通过事务彼此独立执行来实现的。
• 持久性： 已提交的修改是持久的，并且能够抵抗系统故障，从而保证其寿命。

5. 性能和可扩展性

• 通过使多个事务能够并发运行而不会相互干扰，原子事务可以提高系统性能和可扩展性，即使它们可能由于并发管理技术和资源利用而产生开销。
• 通过适当的优化和调整，原子事务有可能提高系统吞吐量和响应能力。

总而言之，原子事务对现代操作系统至关重要，因为它们提供数据完整性、容错性、并发管理和可靠性。它们的影响涵盖了系统架构的许多方面，从并发控制和存储到错误恢复和可靠性，最终提高了操作系统环境的性能、稳定性和完整性。

在操作系统中，原子事务是什么？为什么它们对确保数据完整性很重要？

• 在操作系统中，对共享数据的一系列操作作为单一的、不可分割的单元处理，称为原子事务。为了维护系统的一致性和可靠性，这些过程被设计为要么完全成功，要么完全失败。由于多种原因，原子事务对于维护操作系统中的数据完整性至关重要。
• 首先，在多线程或多进程环境中，多个实体可能同时访问和更改共享数据。在没有原子事务的情况下，同时操作可能导致竞态条件，其中数据由于交错执行而变得不一致或损坏。通过保证对公共数据结构的更改以原子方式发生，不受其他进程的干扰或干扰，原子事务提供了一种阻止这种情况发生的方法。
• 其次，事务的原子性可以使数据库事务拥有其 ACID（原子性、一致性、隔离性和持久性）特性。原子性防止部分修改，这可能导致系统在执行操作时变得不一致。一致性导致事务的正确性，从而使数据准确并符合完整性要求。所有事务之间的隔离允许每个事务单独运行，从而防止多个并发事务之间的重叠和冲突。最后，持久性通过在系统故障中仍然持久的无损坏修改来确保容错性。
• 此外，原子事务是实现容错和错误恢复的关键。在发生故障时，可以进行取消和恢复到系统的初始状态，始终保持数据一致和可恢复。这是一种非常有效的措施，旨在最大程度地减少数据丢失或损坏并提高操作系统的可靠性。
• 由于原子事务提供了同步访问公共数据和强制执行事务一致性的控制技术，因此它们对于维护操作系统的完整性、一致性、可靠性和容错性至关重要。因此，对于关键数据进程和系统稳定性，它们在复杂的计算设置中至关重要。