一文帶你吃透Go語言中的原子操作

更新時間：2023年06月20日 08:42:59 作者：starrySky

原子操作是解決并發(fā)編程中共享數據訪問問題的一種常見機制，下面就來和大家深入介紹原子操作的原理、用法以及在解決并發(fā)問題中的應用，需要的可以參考一下

1. 引言

在并發(fā)編程中，多個協(xié)程同時訪問和修改共享數據時，如果沒有使用適當的機制來防止并發(fā)問題，這個時候可能導致不確定的結果、數據不一致性、邏輯錯誤等嚴重后果。

而原子操作是解決并發(fā)編程中共享數據訪問問題的一種常見機制。因此接下來的文章內容將深入介紹原子操作的原理、用法以及在解決并發(fā)問題中的應用。

2. 問題引入

在并發(fā)編程中，如果沒有適當的并發(fā)控制機制，有可能多個協(xié)程同時訪問和修改共享數據，此時將引起競態(tài)條件和數據競爭問題。這些問題可能導致不確定的結果和錯誤的行為。

為了更好地理解并發(fā)問題，以下是一個示例代碼，展示在沒有進行并發(fā)控制時可能出現(xiàn)的問題：

package main
import "fmt"
var counter int
func increment() {
    value := counter
    value++
    counter = value
}
func main() {
    // 啟動多個并發(fā)協(xié)程
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go increment()
    }
    // 等待所有協(xié)程執(zhí)行完畢
    // 這里僅為了示例目的使用了簡單的等待方式
    time.Sleep(10)
    fmt.Println("Counter:", counter) // 輸出的結果可能小于 1000
}

在這個示例中，多個并發(fā)協(xié)程同時對counter進行讀取、增加和寫入操作。由于這些操作沒有進行適當的并發(fā)控制，可能會導致競態(tài)條件和數據競爭的問題。因此，最終輸出的counter的值可能小于預期的 1000。

這個示例說明了在沒有進行適當的并發(fā)控制時，共享數據訪問可能導致不確定的結果和不正確的行為。為了解決這些問題，我們需要使用適當的并發(fā)控制機制，以確保共享數據的安全訪問和修改。

在Go語言中，有多種方式可以解決并發(fā)問題，而原子操作便是其中一種實現(xiàn)，下面我們將仔細介紹Go語言中的原子操作。

3. 原子操作介紹

3.1 什么是原子操作

Go語言中的原子操作是一種在并發(fā)編程中用于對共享數據進行原子性訪問和修改的機制。原子操作可以確保對共享數據的操作在不被中斷的情況下完成，要么完全執(zhí)行成功，要么完全不執(zhí)行，避免了競態(tài)條件和數據競爭問題。

Go語言提供了sync/atomic包來支持原子操作。該包中定義了一系列函數和類型，用于操作不同類型的數據。以下是原子操作的兩個重要概念：

原子性：原子操作是不可分割的，要么全部執(zhí)行成功，要么全部不執(zhí)行。這意味著在并發(fā)環(huán)境中，一個原子操作的執(zhí)行不會被其他線程或協(xié)程的干擾或中斷。
線程安全：原子操作是線程安全的，可以在多個線程或協(xié)程之間安全地訪問和修改共享數據，而無需額外的同步機制。

原子操作是一種高效、簡潔且可靠的并發(fā)控制機制。它在并發(fā)編程中提供了一種安全訪問共享數據的方式，避免了傳統(tǒng)同步機制（如鎖）所帶來的性能開銷和復雜性。在編寫并發(fā)代碼時，使用原子操作可以有效地提高程序的性能和可靠性。

3.2 支持的操作

在Go語言中，使用sync/atomic包提供了一組原子操作函數，用于在并發(fā)環(huán)境下對共享數據進行原子操作。以下是一些常用的原子操作函數：

Add系列函數，如AddInt32，原子地將指定的值與指定的int32類型變量相加，并返回相加后的結果。當然，也支持int32,int64,uint32,uint64這些數據類型
CompareAndSwap系列函數，如CompareAndSwapInt32，比較并交換操作，原子地比較指定的int32類型變量的值和舊值，如果相等則交換為新值，并返回是否交換成功。
Swap系列函數，如SwapInt32，原子地將指定的int32類型變量的值設置為新值，并返回舊值。
Load系列函數，如LoadInt32，能將原子地加載并返回指定的int32類型變量的值。
Store系列函數，如StoreInt32，原子地將指定的int32類型變量的值設置為新值。

這些原子操作函數提供了對整數類型的原子操作支持，可以用于在并發(fā)環(huán)境下進行安全的數據訪問和修改。除了上述函數外，sync/atomic包還提供了其他一些原子操作函數，用于操作指針類型和特定的內存操作。在編寫并發(fā)代碼時，使用這些原子操作函數可以確保共享數據的一致性和正確性。

3.3 實現(xiàn)原理

Go語言中的原子操作的實現(xiàn)，其實是依賴于底層的系統(tǒng)調用和硬件支持，其中主要是CAS，Load和Store等原子指令。

CAS操作，它用于比較并交換共享變量的值。CAS操作包括兩個階段：比較階段和交換階段。在比較階段，系統(tǒng)會比較共享變量的當前值與期望值是否相等；如果相等，則進入交換階段，將共享變量的新值寫入。CAS操作可通過底層的系統(tǒng)調用來實現(xiàn)原子性，保證只有一個線程或協(xié)程能夠成功執(zhí)行比較并交換的操作。而CAS操作通過底層的系統(tǒng)調用（如cmpxchg）實現(xiàn)，利用處理器的原子指令完成比較和交換操作。

Load和Store操作則用于原子地讀取共享變量的值。這兩個都是通過底層的原子指令來實現(xiàn)的，通過這種方式實現(xiàn)了原子訪問和修改。確保在讀取或者寫入共享數據的過程中不會被其他線程的修改所干擾。

3.4 實踐

回到上面的問題，由于多個并發(fā)協(xié)程同時對counter進行讀取、增加和寫入操作。由于這些操作沒有進行適當的并發(fā)控制，可能會導致競態(tài)條件和數據競爭的問題。下面我們使用原子操作來對其進行解決，代碼示例如下:

package main
import (
        "fmt"
        "sync"
        "sync/atomic"
)
var counter int32
var wg sync.WaitGroup
func increment() {
        defer wg.Done()
        atomic.AddInt32(&counter, 1)
}
func main() {
        // 設置等待組的計數器
        wg.Add(1000)
        // 啟動多個并發(fā)協(xié)程
        for i := 0; i < 1000; i++ {
                go increment()
        }
        // 等待所有協(xié)程執(zhí)行完畢
        wg.Wait()
        fmt.Println("Counter:", counter) // 輸出結果為 1000
}

在上述代碼中，我們使用 atomic.AddInt32 函數來原子地對 counter 變量進行遞增操作。該函數接收一個 *int32 類型的指針作為參數，它會以原子操作的方式將指定的值添加到目標變量中。

通過使用原子操作，我們可以確保在多個協(xié)程同時對 counter 變量進行遞增操作時，不會發(fā)生競態(tài)條件或數據競爭問題。這樣，我們可以得到正確的遞增計數器結果，輸出結果為 1000。