Go 原子操作

本文讲解 golang 中 sync.atomic 的常见操作

atomic 提供的原子操作能够确保任一时刻只有一个goroutine对变量进行操作，善用 atomic 能够避免程序中出现大量的锁操作。

atomic常见操作有：

• 增减

• 载入

• 比较并交换

• 交换

• 存储

下面将分别介绍这些操作。

增减操作

atomic 包中提供了如下以Add为前缀的增减操作:

• func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)

• func AddInt64(addr *int64, delta int64) (new int64)

• func AddUint32(addr *uint32, delta uint32) (new uint32)

• func AddUint64(addr *uint64, delta uint64) (new uint64)

• func AddUintptr(addr *uintptr, delta uintptr) (new uintptr)

需要注意的是，第一个参数必须是指针类型的值，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。

使用举例：

package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
    "time"
)

func main() {
    var opts int64 = 0

    for i := 0; i < 50; i++ {
        // 注意第一个参数必须是地址
        atomic.AddInt64(&opts, 3) //加操作
        //atomic.AddInt64(&opts, -1) 减操作
        time.Sleep(time.Millisecond)
    }

    time.Sleep(time.Second)

    fmt.Println("opts: ", atomic.LoadInt64(&opts))
}

载入操作

atomic 包中提供了如下以Load为前缀的增减操作:

• func LoadInt32(addr *int32) (val int32)

• func LoadInt64(addr *int64) (val int64)

• func LoadPointer(addr *unsafe.Pointer) (val unsafe.Pointer)

• func LoadUint32(addr *uint32) (val uint32)

• func LoadUint64(addr *uint64) (val uint64)

• func LoadUintptr(addr *uintptr) (val uintptr)

载入操作能够保证原子的读变量的值，当读取的时候，任何其他CPU操作都无法对该变量进行读写，其实现机制收到底层硬件的支持。见上述例子中的 atomic.LoadInt64(&opts) 。

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 CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64) (swapped bool)

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

• func CompareAndSwapUint32(addr *uint32, old, new uint32) (swapped bool)

• func CompareAndSwapUint64(addr *uint64, old, new uint64) (swapped bool)

• func CompareAndSwapUintptr(addr *uintptr, old, new uintptr) (swapped bool)

该操作在进行交换前首先确保变量的值未被更改，即仍然保持参数 old 所记录的值，满足此前提下才进行交换操作。CAS的做法类似操作数据库时常见的乐观锁机制。

需要注意的是，当有大量的goroutine 对变量进行读写操作时，可能导致CAS操作无法成功，这时可以利用for循环多次尝试。

使用示例：

var value int64

func atomicAddOp(tmp int64) {
    for {
        oldValue := value
        if atomic.CompareAndSwapInt64(&value, oldValue, oldValue+tmp) {
            return
        }
    }
}

交换

此类操作的前缀为 Swap：

• func SwapInt32(addr *int32, new int32) (old int32)

• func SwapInt64(addr *int64, new int64) (old int64)

• func SwapPointer(addr *unsafe.Pointer, new unsafe.Pointer) (old unsafe.Pointer)

• func SwapUint32(addr *uint32, new uint32) (old uint32)

• func SwapUint64(addr *uint64, new uint64) (old uint64)

• func SwapUintptr(addr *uintptr, new uintptr) (old uintptr)

相对于CAS，明显此类操作更为暴力直接，并不管变量的旧值是否被改变，直接赋予新值然后返回背替换的值。

存储

此类操作的前缀为 Store：

• func StoreInt32(addr *int32, val int32)

• func StoreInt64(addr *int64, val int64)

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

• func StoreUint32(addr *uint32, val uint32)

• func StoreUint64(addr *uint64, val uint64)

• func StoreUintptr(addr *uintptr, val uintptr)

此类操作确保了写变量的原子性，避免其他操作读到了修改变量过程中的脏数据。

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