原语

来源：操作系统 / note/进程管理/进程/原语.md

原语就是操作系统中一种不可被中断的操作序列。

也就是说：

原语一旦开始执行，就必须执行完，中间不能被打断。

英文一般叫 primitive，在操作系统里常说的是 原子操作 atomic operation。

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1. 为什么需要原语？

操作系统里有很多共享资源，比如：

进程表
就绪队列
信号量
文件表
内存分配表

这些数据可能会被多个进程同时访问。

如果一个操作执行到一半被打断，另一个进程又来修改同一个数据，就可能出错。

比如两个进程同时申请一个资源：

资源数量 count = 1

进程 A 判断：

if (count > 0)

此时发现 count = 1，可以申请。

但是还没来得及执行：

count--;

CPU 切换到了进程 B。

进程 B 也判断 count > 0，也认为可以申请，于是也申请成功。

结果：

本来只有 1 个资源
却被两个进程同时申请成功

这就出错了。

所以某些关键操作必须设计成不可中断，这就是原语。

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2. 原语的核心特点

原语有两个重要特点：

特点	含义
原子性	要么全部执行，要么完全不执行
不可中断性	执行过程中不能被调度、中断打断

比如：

申请资源
释放资源
阻塞进程
唤醒进程
P 操作
V 操作

这些通常都需要做成原语。

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3. 举个信号量的例子

信号量里的 P 操作 和 V 操作 就是经典原语。

P 操作，也叫 wait 操作

P(S) {
    S--;
    if (S < 0) {
        阻塞当前进程;
        把当前进程加入等待队列;
    }
}

意思是：申请一个资源。

V 操作，也叫 signal 操作

V(S) {
    S++;
    if (S <= 0) {
        从等待队列中唤醒一个进程;
    }
}

意思是：释放一个资源。

这两个操作必须是原语。

因为如果 S-- 执行完，还没来得及判断 S < 0 就被打断，其他进程也来操作 S，信号量的值和等待队列就可能乱掉。

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4. 原语和普通函数的区别

普通函数可以在执行过程中被中断或被调度走。

比如：

void func() {
    a++;
    b++;
    c++;
}

执行完 a++ 后，CPU 可能切到别的进程。

但原语不允许这样。

原语开始
  执行若干关键操作
原语结束

中间不能被打断。

所以：

普通函数：可能执行到一半被切走
原语：必须一口气执行完

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5. 原语怎么实现不可中断？

常见方法有两种。

第一种是关中断。

关中断
执行关键操作
开中断

在单处理器系统中，关中断后，时钟中断不能打断当前操作，所以不会发生进程切换。

第二种是使用硬件提供的原子指令。

比如：

Test-and-Set
Compare-and-Swap, CAS
Swap
Fetch-and-Add

这些指令本身由 CPU 保证不可分割。

在多核系统中，仅仅关当前 CPU 的中断不够，因为其他 CPU 核心还可能同时访问共享数据，所以更依赖锁和硬件原子指令。

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6. 放到进程管理里理解

比如操作系统要把一个进程从运行态变成阻塞态：

修改进程状态
把进程从运行队列移走
加入阻塞队列
重新调度 CPU

这些步骤必须保持一致。

如果执行到一半被打断，就可能出现：

进程状态是阻塞态
但它还留在就绪队列里

这样调度器可能错误地再次调度它。

所以这种修改系统核心数据结构的操作通常要作为原语实现。

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7. 一句话总结

原语就是：

操作系统中完成某个核心功能的一段不可中断程序，具有原子性，要么全部完成，要么不被执行到一半就停下。

你可以把它理解成操作系统里的“最小安全操作单位”。