本文我們?cè)敿?xì)聊一下Go語言的原子操作的用法，啥是原子操作呢？顧名思義，原子操作就是具備原子性的操作... 是不是感覺說了跟沒說一樣，原子性的解釋如下：

一個(gè)或者多個(gè)操作在 CPU 執(zhí)行的過程中不被中斷的特性，稱為原子性（atomicity） 。這些操作對(duì)外表現(xiàn)成一個(gè)不可分割的整體，他們要么都執(zhí)行，要么都不執(zhí)行，外界不會(huì)看到他們只執(zhí)行到一半的狀態(tài)。

CPU執(zhí)行一系列操作時(shí)不可能不發(fā)生中斷，但如果我們?cè)趫?zhí)行多個(gè)操作時(shí)，能讓他們的中間狀態(tài)對(duì)外不可見，那我們就可以宣稱他們擁有了"不可分割”的原子性。
類似的解釋我們?cè)跀?shù)據(jù)庫事務(wù)的ACID概念里也聽過，只不過這里保障原子性的執(zhí)行體是CPU。

Go 語言提供了哪些原子操作

Go語言通過內(nèi)置包sync/atomic提供了對(duì)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(duì)操作數(shù)進(jìn)行原子的增減，支持的類型為int32、int64、uint32、uint64、uintptr，使用時(shí)以實(shí)際類型替換前面我說的XXXType就是對(duì)應(yīng)的操作方法。
• 載入，保證了讀取到操作數(shù)前沒有其他任務(wù)對(duì)它進(jìn)行變更，操作方法的命名方式為LoadXXXType，支持的類型除了基礎(chǔ)類型外還支持Pointer，也就是支持載入任何類型的指針。
• 存儲(chǔ)，有載入了就必然有存儲(chǔ)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。
• 比較并交換，也就是CAS （Compare And Swap），像Go的很多并發(fā)原語實(shí)現(xiàn)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(gè)簡(jiǎn)單粗暴一些，不比較直接交換，這個(gè)操作很少會(huì)用。

互斥鎖跟原子操作的區(qū)別

平日里，在并發(fā)編程里，Go語言sync包里的同步原語Mutex是我們經(jīng)常用來保證并發(fā)安全的，那么他跟atomic包里的這些操作有啥區(qū)別呢？在我看來他們?cè)谑褂媚康暮偷讓訉?shí)現(xiàn)上都不一樣：

• 使用目的：互斥鎖是用來保護(hù)一段邏輯，原子操作用于對(duì)一個(gè)變量的更新保護(hù)。
• 底層實(shí)現(xiàn)：Mutex由操作系統(tǒng)的調(diào)度器實(shí)現(xiàn)，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(zhí)行的過程中是不允許中斷的，因此原子操作可以在lock-free的情況下保證并發(fā)安全，并且它的性能也能做到隨CPU個(gè)數(shù)的增多而線性擴(kuò)展。

對(duì)于一個(gè)變量更新的保護(hù)，原子操作通常會(huì)更有效率，并且更能利用計(jì)算機(jī)多核的優(yōu)勢(shì)。

比如下面這個(gè)，使用互斥鎖的并發(fā)計(jì)數(shù)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(diào)用，在不加鎖的情況下仍然能確保對(duì)變量遞增的并發(fā)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(yùn)行以上這兩段代碼，可以觀察到計(jì)數(shù)器的結(jié)果都最后都是1000000，都是線程安全的。
需要注意的是，所有原子操作方法的被操作數(shù)形參必須是指針類型，通過指針變量可以獲取被操作數(shù)在內(nèi)存中的地址，從而施加特殊的CPU指令，確保同一時(shí)間只有一個(gè)goroutine能夠進(jìn)行操作。
上面的例子除了增加操作外我們還演示了載入操作，接下來我們來看一下CAS操作。

比較并交換

該操作簡(jiǎn)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(jìn)行交換前首先確保被操作數(shù)的值未被更改，即仍然保存著參數(shù) old 所記錄的值，滿足此前提條件下才進(jìn)行交換操作。CAS的做法類似操作數(shù)據(jù)庫時(shí)常見的樂觀鎖機(jī)制。

需要注意的是，當(dāng)有大量的goroutine 對(duì)變量進(jìn)行讀寫操作時(shí)，可能導(dǎo)致CAS操作無法成功，這時(shí)可以利用for循環(huán)多次嘗試。

上面我只列出了比較典型的int32和unsafe.Pointer類型的CAS方法，主要是想說除了讀數(shù)值類型進(jìn)行比較交換，還支持對(duì)指針進(jìn)行比較交換。

unsafe.Pointer提供了繞過Go語言指針類型限制的方法，unsafe指的并不是說不安全，而是說官方并不保證向后兼容。

// 定義一個(gè)struct類型P
type P struct{ x, y, z int }
  
// 執(zhí)行類型P的指針
var pP *P
  
func main() {
  
    // 定義一個(gè)執(zhí)行unsafe.Pointer值的指針變量
    var unsafe1 = (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&pP))
  
    // Old pointer
    var sy P
  
    // 為了演示效果先將unsafe1設(shè)置成Old Pointer
    px := atomic.SwapPointer(
        unsafe1, unsafe.Pointer(&sy))
  
    // 執(zhí)行CAS操作，交換成功，結(jié)果返回true
    y := atomic.CompareAndSwapPointer(
        unsafe1, unsafe.Pointer(&sy), px)
  
    fmt.Println(y)
}

上面的示例并不是在并發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的CAS，只是為了演示效果，先把被操作數(shù)設(shè)置成了Old Pointer。
其實(shí)Mutex的底層實(shí)現(xiàn)也是依賴原子操作中的CAS實(shí)現(xiàn)的，原子操作的atomic包相當(dāng)于是sync包里的那些同步原語的實(shí)現(xiàn)依賴。

比如互斥鎖Mutex的結(jié)構(gòu)里有一個(gè)state字段，其是表示鎖狀態(tài)的狀態(tài)位。

type Mutex struct {
 state int32
 sema  uint32
}

為了方便理解，我們?cè)谶@里將它的狀態(tài)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(shí)現(xiàn)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(tài)，通過CAS方法，判斷鎖此時(shí)的狀態(tài)是否空閑（m.state==0），是，則對(duì)其加鎖（mutexLocked常量的值為1）。

atomic.Value保證任意值的讀寫安全

atomic包里提供了一套Store開頭的方法，用來保證各種類型變量的并發(fā)寫安全，避免其他操作讀到了修改變量過程中的臟數(shù)據(jù)。

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，我就不再演示怎么使用這些方法了。

值得一提的是如果你想要并發(fā)安全的設(shè)置一個(gè)結(jié)構(gòu)體的多個(gè)字段，除了把結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)換為指針，通過StorePointer設(shè)置外，還可以使用atomic包后來引入的atomic.Value，它在底層為我們完成了從具體指針類型到unsafe.Pointer之間的轉(zhuǎn)換。

有了atomic.Value后，它使得我們可以不依賴于不保證兼容性的unsafe.Pointer類型，同時(shí)又能將任意數(shù)據(jù)類型的讀寫操作封裝成原子性操作（中間狀態(tài)對(duì)外不可見）。

atomic.Value類型對(duì)外暴露了兩個(gè)方法：

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

1.17 版本我看還增加了Swap和CompareAndSwap方法。

簡(jiǎn)潔的接口使得它的使用也很簡(jiǎn)單，只需將需要做并發(fā)保護(hù)的變量讀取和賦值操作用Load()和Store()代替就行了。
由于Load()返回的是一個(gè)interface{}類型，所以在使用前我們記得要先轉(zhuǎn)換成具體類型的值，再使用。下面是一個(gè)簡(jiǎn)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(gè)協(xié)程并發(fā)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，看看在并發(fā)條件下，兩個(gè)字段的值是不是能跟預(yù)期的一樣變成10和15。

總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了Go語言原子操作atomic包中會(huì)被高頻使用的操作的使用場(chǎng)景和用法，當(dāng)然我并沒有羅列atomic包里所有操作的用法，主要是考慮到有的用到的地方實(shí)在不多，或者是已經(jīng)被更好的方式替代，還有就是覺得確實(shí)沒必要，看完本文的內(nèi)容相信你已經(jīng)完全具備自行探索atomic包的能力了。

再強(qiáng)調(diào)一遍，原子操作由底層硬件支持，而鎖則由操作系統(tǒng)的調(diào)度器實(shí)現(xiàn)。鎖應(yīng)當(dāng)用來保護(hù)一段邏輯，對(duì)于一個(gè)變量更新的保護(hù)，原子操作通常會(huì)更有效率，并且更能利用計(jì)算機(jī)多核的優(yōu)勢(shì)，如果要更新的是一個(gè)復(fù)合對(duì)象，則應(yīng)當(dāng)使用atomic.Value封裝好的實(shí)現(xiàn)。

到此這篇關(guān)于詳解Golang五種原子性操作的用法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)詳解Golang五種原子性操作的用法內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！ 

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