原子操作用法详解

[kevinyan815]

啥是原子操作呢？顾名思义，原子操作就是具备原子性的操作... 是不是感觉说了跟没说一样，原子性的解释如下：

一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性，称为原子性（atomicity） 。这些操作对外表现成一个不可分割的整体，他们要么都执行，要么都不执行，外界不会看到他们只执行到一半的状态。

Go 语言提供了哪些原子操作

Go语言通过内置包sync/atomic提供了对原子操作的支持，其提供的原子操作有以下几大类：

• 增减，操作方法的命名方式为AddXXXType
• 载入，保证了读取到操作数前没有其他任务对它进行变更，操作方法的命名方式为LoadXXXType
• 存储，有载入了就必然有存储操作，这类操作的方法名以Store开头
• 比较并交换，操作方法以CompareAndSwap开通，也就是CAS，像Go的很多并发原语实现就是依赖的CAS操作
• 交换，一组以Store开头的操作方法，这个简单粗暴一些，不比较直接交换，一般不怎么用这个操作

互斥锁跟原子操作的区别

• 使用目的区别：互斥锁是用来保护一段逻辑，原子操作用于对一个变量的更新保护。
• 底层实现区别：Mutex由操作系统的调度器实现，而atomic包中的原子操作则由底层硬件指令直接提供支持，这些指令在执行的过程中是不允许中断的，因此原子操作可以在lock-free的情况下保证并发安全，并且它的性能也能做到随CPU个数的增多而线性扩展。

原子操作增加、载入

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)
}

完整源码，请访问atomic示例一

需要注意的是，所有原子操作方法的被操作数形参必须是指针类型，通过指针变量可以获取被操作数在内存中的地址，从而施加特殊的CPU指令，确保同一时间只有一个goroutine能够进行操作。

比较并交换

该操作简称CAS (Compare And Swap)。 这类操作的前缀为 CompareAndSwap :

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

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

该操作在进行交换前首先确保被操作数的值未被更改，即仍然保存着参数 old 所记录的值，满足此前提条件下才进行交换操作。CAS的做法类似操作数据库时常见的乐观锁机制。

atomic.Value保证任意值的读写安全

atomic包里提供了一套Store开头的方法，用来保证各种类型变量的并发写安全，避免其他操作读到了修改变量过程中的脏数据。

func StoreInt32(addr *int32, val int32)

func StoreInt64(addr *int64, val int64)

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

...

这些操作方法的定义与上面介绍的那些操作的方法类似，就不再演示怎么使用这些方法了。值得一提的是如果你想要并发安全的设置一个结构体的多个字段，除了把结构体转换为指针，通过StorePointer设置外，还可以使用atomic包后来引入的atomic.Value，它在底层为我们完成了从具体指针类型到unsafe.Pointer之间的转换。

有了atomic.Value后，它使得我们可以不依赖于不保证兼容性的unsafe.Pointer类型，同时又能将任意数据类型的读写操作封装成原子性操作（中间状态对外不可见）。

atomic.Value类型对外暴露了两个方法：

• v.Store(c) - 写操作，将原始的变量c存放到一个atomic.Value类型的v里。
• c := v.Load() - 读操作，从线程安全的v中读取上一步存放的内容。

1.17 版本我看还增加了Swap和CompareAndSwap方法。

下面是一个简单的例子演示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 个协程并发更新
	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)
}

完整源代码请访问：atomic示例二

你也可以试试，不用atomic.Value，直接给Rectange类型的指针变量赋值，看看在并发条件下，两个字段的值是不是能跟预期的一样变成10和15。

总结

原子操作由底层硬件支持，而锁则由操作系统的调度器实现。锁应当用来保护一段逻辑，对于一个变量更新的保护，原子操作通常会更有效率，并且更能利用计算机多核的优势，如果要更新的是一个复合对象，则应当使用atomic.Value封装好的实现。