原子操作（atomic operation）

Atomic 源自希臘文的「不可分割」。原子操作是這樣一種操作：就其他任何執行緒所能察覺的範圍而言，它一次全部發生——沒有可觀察的中間狀態。它就像撥動電燈開關：不是關就是開，絕不會卡在半途。這之所以重要，是因為我們寫成一行程式碼的操作，對硬體而言通常不是單一步驟。熟悉的 count = count + 1 其實會編譯成三個機器步驟：把 count 從記憶體讀進暫存器、加一、把暫存器寫回。若兩個執行緒交錯這些步驟，兩者可能讀到同一個舊值、又寫回同一個新值，於是一次遞增被悄悄遺失。原子操作的全部用意，就是讓這樣的更新成為不可分割，使這種事不可能發生。

現代 CPU 以硬體元件提供少數幾條原子指令。最基本的是原子的讀-改-寫，例如取後加（fetch-and-add，原子地讀一個值並對它加）或測試並設定（test-and-set，原子地讀一個旗標並設定它）。最重要也最通用的是比較並交換，寫作 CAS(address, expected, new)：它原子地檢查 address 處的記憶體是否仍持有 expected，唯有如此才寫入 new，並回報是否成功。CPU 在記憶體匯流排或快取層級強制這種不可分割性，因此沒有別的核心能在中途偷塞一個衝突的存取。程式語言把這些暴露為原子型別（例如 C 或 C++ 的原子整數，或 Java 的 AtomicInteger），其遞增、交換與比較並交換等方法都保證是原子的。

原子操作是並行裡其他一切的根基。鎖本身就是用原子的測試並設定或比較並交換實作的；無鎖資料結構則直接用原子操作以完全避開鎖。但有兩點誠實的提醒。第一，單一操作的原子性，並不會讓一連串操作變成原子的：做兩個分開的原子更新，並不等於同時更新兩者——那仍需要鎖或交易。第二，原子性講的是不可分割性，這和可見性順序是兩回事的保證；在寬鬆記憶體模型上，你可能還需要記憶體屏障來控制其他執行緒何時看到結果。原子的意思是「全有或全無」，並不自動代表「立刻被所有人依序看到」。