詳解Golang五種原子性操作的用法

Posted on 2021-09-22 by WalkonNet

CPU執行一系列操作時不可能不發生中斷，但如果我們在執行多個操作時，能讓他們的中間狀態對外不可見，那我們就可以宣稱他們擁有瞭”不可分割”的原子性。
類似的解釋我們在數據庫事務的ACID概念裡也聽過，隻不過這裡保障原子性的執行體是CPU。

Go 語言提供瞭哪些原子操作

Go語言通過內置包sync/atomic提供瞭對原子操作的支持，其提供的原子操作有以下幾大類：

增減，操作方法的命名方式為AddXXXType，保證對操作數進行原子的增減，支持的類型為int32、int64、uint32、uint64、uintptr，使用時以實際類型替換前面我說的XXXType就是對應的操作方法。
載入，保證瞭讀取到操作數前沒有其他任務對它進行變更，操作方法的命名方式為LoadXXXType，支持的類型除瞭基礎類型外還支持Pointer，也就是支持載入任何類型的指針。
存儲，有載入瞭就必然有存儲操作，這類操作的方法名以Store開頭，支持的類型跟載入操作支持的那些一樣。
比較並交換，也就是CAS （Compare And Swap），像Go的很多並發原語實現就是依賴的CAS操作，同樣是支持上面列的那些類型。
交換，這個簡單粗暴一些，不比較直接交換，這個操作很少會用。

互斥鎖跟原子操作的區別

平日裡，在並發編程裡，Go語言sync包裡的同步原語Mutex是我們經常用來保證並發安全的，那麼他跟atomic包裡的這些操作有啥區別呢？在我看來他們在使用目的和底層實現上都不一樣：

使用目的：互斥鎖是用來保護一段邏輯，原子操作用於對一個變量的更新保護。
底層實現：Mutex由操作系統的調度器實現，而atomic包中的原子操作則由底層硬件指令直接提供支持，這些指令在執行的過程中是不允許中斷的，因此原子操作可以在lock-free的情況下保證並發安全，並且它的性能也能做到隨CPU個數的增多而線性擴展。

對於一個變量更新的保護，原子操作通常會更有效率，並且更能利用計算機多核的優勢。

比如下面這個，使用互斥鎖的並發計數器程序：

func mutexAdd() {
 var a int32 =  0
 var wg sync.WaitGroup
 var mu sync.Mutex
 start := time.Now()
 for i := 0; i < 100000000; i++ {
  wg.Add(1)
  go func() {
   defer wg.Done()
   mu.Lock()
   a += 1
   mu.Unlock()
  }()
 }
 wg.Wait()
 timeSpends := time.Now().Sub(start).Nanoseconds()
 fmt.Printf("use mutex a is %d, spend time: %v\n", a, timeSpends)
}

把Mutex改成用方法atomic.AddInt32(&a, 1)調用，在不加鎖的情況下仍然能確保對變量遞增的並發安全。

func AtomicAdd() {
 var a int32 =  0
 var wg sync.WaitGroup
 start := time.Now()
 for i := 0; i < 1000000; i++ {
  wg.Add(1)
  go func() {
   defer wg.Done()
   atomic.AddInt32(&a, 1)
  }()
 }
 wg.Wait()
 timeSpends := time.Now().Sub(start).Nanoseconds()
 fmt.Printf("use atomic a is %d, spend time: %v\n", atomic.LoadInt32(&a), timeSpends)
}

可以在本地運行以上這兩段代碼，可以觀察到計數器的結果都最後都是1000000，都是線程安全的。
需要註意的是，所有原子操作方法的被操作數形參必須是指針類型，通過指針變量可以獲取被操作數在內存中的地址，從而施加特殊的CPU指令，確保同一時間隻有一個goroutine能夠進行操作。
上面的例子除瞭增加操作外我們還演示瞭載入操作，接下來我們來看一下CAS操作。

比較並交換

該操作簡稱CAS (Compare And Swap)。這類操作的前綴為 CompareAndSwap :

func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)

func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool)

該操作在進行交換前首先確保被操作數的值未被更改，即仍然保存著參數 old 所記錄的值，滿足此前提條件下才進行交換操作。CAS的做法類似操作數據庫時常見的樂觀鎖機制。

需要註意的是，當有大量的goroutine 對變量進行讀寫操作時，可能導致CAS操作無法成功，這時可以利用for循環多次嘗試。

上面我隻列出瞭比較典型的int32和unsafe.Pointer類型的CAS方法，主要是想說除瞭讀數值類型進行比較交換，還支持對指針進行比較交換。

unsafe.Pointer提供瞭繞過Go語言指針類型限制的方法，unsafe指的並不是說不安全，而是說官方並不保證向後兼容。

// 定義一個struct類型P
type P struct{ x, y, z int }
  
// 執行類型P的指針
var pP *P
  
func main() {
  
    // 定義一個執行unsafe.Pointer值的指針變量
    var unsafe1 = (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&pP))
  
    // Old pointer
    var sy P
  
    // 為瞭演示效果先將unsafe1設置成Old Pointer
    px := atomic.SwapPointer(
        unsafe1, unsafe.Pointer(&sy))
  
    // 執行CAS操作，交換成功，結果返回true
    y := atomic.CompareAndSwapPointer(
        unsafe1, unsafe.Pointer(&sy), px)
  
    fmt.Println(y)
}

上面的示例並不是在並發環境下進行的CAS，隻是為瞭演示效果，先把被操作數設置成瞭Old Pointer。
其實Mutex的底層實現也是依賴原子操作中的CAS實現的，原子操作的atomic包相當於是sync包裡的那些同步原語的實現依賴。

比如互斥鎖Mutex的結構裡有一個state字段，其是表示鎖狀態的狀態位。

type Mutex struct {
 state int32
 sema  uint32
}

為瞭方便理解，我們在這裡將它的狀態定義為0和1，0代表目前該鎖空閑，1代表已被加鎖，以下是sync.Mutex中Lock方法的部分實現代碼。

func (m *Mutex) Lock() {
   // Fast path: grab unlocked mutex.
   if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
       if race.Enabled {
           race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
       }
       return
   }
   // Slow path (outlined so that the fast path can be inlined)
    m.lockSlow()
}

在atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked)中，m.state代表鎖的狀態，通過CAS方法，判斷鎖此時的狀態是否空閑（m.state==0），是，則對其加鎖（mutexLocked常量的值為1）。

atomic.Value保證任意值的讀寫安全

atomic包裡提供瞭一套Store開頭的方法，用來保證各種類型變量的並發寫安全，避免其他操作讀到瞭修改變量過程中的臟數據。

func StoreInt32(addr *int32, val int32)

func StoreInt64(addr *int64, val int64)

func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer)

 
...

這些操作方法的定義與上面介紹的那些操作的方法類似，我就不再演示怎麼使用這些方法瞭。

值得一提的是如果你想要並發安全的設置一個結構體的多個字段，除瞭把結構體轉換為指針，通過StorePointer設置外，還可以使用atomic包後來引入的atomic.Value，它在底層為我們完成瞭從具體指針類型到unsafe.Pointer之間的轉換。

有瞭atomic.Value後，它使得我們可以不依賴於不保證兼容性的unsafe.Pointer類型，同時又能將任意數據類型的讀寫操作封裝成原子性操作（中間狀態對外不可見）。

atomic.Value類型對外暴露瞭兩個方法：

v.Store(c) – 寫操作，將原始的變量c存放到一個atomic.Value類型的v裡。
c := v.Load() – 讀操作，從線程安全的v中讀取上一步存放的內容。

1.17 版本我看還增加瞭Swap和CompareAndSwap方法。

簡潔的接口使得它的使用也很簡單，隻需將需要做並發保護的變量讀取和賦值操作用Load()和Store()代替就行瞭。
由於Load()返回的是一個interface{}類型，所以在使用前我們記得要先轉換成具體類型的值，再使用。下面是一個簡單的

例子演示atomic.Value的用法。

type Rectangle struct {
 length int
 width  int
}

var rect atomic.Value

func update(width, length int) {
 rectLocal := new(Rectangle)
 rectLocal.width = width
 rectLocal.length = length
 rect.Store(rectLocal)
}

func main() {
 wg := sync.WaitGroup{}
 wg.Add(10)
 // 10 個協程並發更新
 for i := 0; i < 10; i++ {
  go func() {
   defer wg.Done()
   update(i, i+5)
  }()
 }
 wg.Wait()
 _r := rect.Load().(*Rectangle)
 fmt.Printf("rect.width=%d\nrect.length=%d\n", _r.width, _r.length)
}

你也可以試試，不用atomic.Value，直接給Rectange類型的指針變量賦值，看看在並發條件下，兩個字段的值是不是能跟預期的一樣變成10和15。

總結

本文詳細介紹瞭Go語言原子操作atomic包中會被高頻使用的操作的使用場景和用法，當然我並沒有羅列atomic包裡所有操作的用法，主要是考慮到有的用到的地方實在不多，或者是已經被更好的方式替代，還有就是覺得確實沒必要，看完本文的內容相信你已經完全具備自行探索atomic包的能力瞭。

再強調一遍，原子操作由底層硬件支持，而鎖則由操作系統的調度器實現。鎖應當用來保護一段邏輯，對於一個變量更新的保護，原子操作通常會更有效率，並且更能利用計算機多核的優勢，如果要更新的是一個復合對象，則應當使用atomic.Value封裝好的實現。

到此這篇關於詳解Golang五種原子性操作的用法的文章就介紹到這瞭,更多相關詳解Golang五種原子性操作的用法內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

詳解Golang五種原子性操作的用法

目錄

Go 語言提供瞭哪些原子操作

互斥鎖跟原子操作的區別

比較並交換

atomic.Value保證任意值的讀寫安全

總結

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