Итак, начнем. На пальцах, более подробные объяснения в других местах.

• Во-первых, разберемся с атомарностью. Атомарность обозначает неделимость, неразрывность. То есть если у нас есть группа операций (обычно это инкремент + получение результата) — то она выполняется как единое целое. Если у нас есть два потока, которые делают эту операцию (реально — по две операции каждый), то они выполнятся строго последовательно, а не «инкремент раз — инкремент два — получение раз — получение два».
• Во-вторых, что такое синхронизация. Это когда у нас есть объект (семафор кажется), и мы говорим: «если семафор открыт — закрыть, иначе стоять тут, пока не откроют». Это обычно реализуется при помощи тех самых атомарных операций и позволяет (при удачном стечении обстоятельств) делать «атомарными» сравнительно большие блоки кода.
• «Атомарные команды» — действительно машинные. Их много разных и этот список сильно зависит от архитектуры процессора, на котором мы все это исполняем. То есть ответ на первые два вопроса: «зависит от архитектуры». Long long тоже может иметь атомарные операции. Какие являются атомарными в iPhone — не знаю.
• про nonatomic можно прочитать в документации. Если его не писать, генерится такой код (если же там nonatomic, то значение возвращается без лока. Как именно этот лок реализован — не сказано):

[_internal lock]; // lock using an object-level lock
id result = [[value retain] autorelease];
[_internal unlock];
return result;

• по 4му вопросу. Этого никто не гарантирует. Atomic всего-лишь гарантирует, что в многопоточной среде ничего не сломается. То есть если А читает пропертю, а Б и В — в это же время ее записывают, то А может получить любое из трех значений.

Как-то так. Вот тут есть еще немного информации про это: stackoverflow.com/questions/588866/objective-c-properties-atomic-vs-nonatomic

1. Да, тут всё понятно
2. Вообще говоря, то, что Вы описали, называется spinlock-ом. Семафоры имеют некоторую «ёмкость» — количество потоков, которое можно запихнуть в охраняемую секцию. При ёмкости равной единице семафор ведёт себя так же, как и спинлок
3. В первом вопросе я говорил именно про поле типа int, т.к. я откуда-то слышал, что длинна int-а равна длинне указателя, который в свою очередь является одним словом. (не получилось сходу найти этого в спецификации ANSI, нашёл только вот тут:tigcc.ticalc.org/doc/keywords.html#int) То есть на 16-битных платформах int будет 16битный, а на 32-битных — 32-битным. Таким образом этот тип «нативен» для платформы. Ну и наконец просто довод с точки зрения здравого смысла: как может попортиться int? Когда запишутс его первые два байта, второй поток успеет считать его? или что? Звучит сильно сомнительно. :)
4. Комментарий «lock using an object-level lock» наводит на мысль, что там стоит синхронизация по объекту. Правда, одно я теперь знаю точно(провёл небольшой эксперимент): это скорее всего внутренний лок, и поэтому @synchronize по этому же объекту отлично выполняется вместе с доступом в свойства. Ну а больше, на самом деле, ничего не надо. Спасибо!