Golang 五种原子性操作的用法详解

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。

CPU 执行一系列操作时不可能不发生中断，但如果我们在执行多个操作时，能让他们的 中间状态对外不可见 ，那我们就可以宣称他们拥有了"不可分割”的原子性。

类似的解释我们在数据库事务的 ACID 概念里也听过。

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：

•  
  1. AddXXXType 
  2. int32 
  3. int64 
  4. uint32 
  5. uint64 
  6. uintptr 
  7. XXXType 
• 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 ，支持的类型除了基础类型外还支持 Pointer ，也就是支持载入任何类型的指针。
• 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，支持的类型跟载入操作支持的那些一样。
•  
  1. CAS 
  2. Go 
  3. CAS 

• 交换，这个简单粗暴一些，不比较直接交换，这个操作很少会用。

互斥锁跟原子操作的区别

平日里，在并发编程里，Go语言 sync 包里的同步原语 Mutex 是我们经常用来保证并发安全的，那么他跟 atomic 包里的这些操作有啥区别呢？在我看来他们在使用目的和底层实现上都不一样：

• 使用目的：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： 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。

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。

比如下面这个，使用互斥锁的并发计数器程序：

1. func mutexAdd() { 
2.  var a int32 =  0 
3.  var wg sync.WaitGroup 
4.  var mu sync.Mutex 
5.  start := time.Now() 
6.  for i := 0; i < 100000000; i++ { 
7.   wg.Add(1) 
8.   go func() { 
9.    defer wg.Done() 
10.    mu.Lock() 
11.    a += 1 
12.    mu.Unlock() 
13.   }() 
14.  } 
15.  wg.Wait() 
16.  timeSpends := time.Now().Sub(start).Nanoseconds() 
17.  fmt.Printf("use mutex a is %d, spend time: %v\n", a, timeSpends) 
18. } 

把 Mutex 改成用方法 atomic.AddInt32(&a, 1) 调用，在不加锁的情况下仍然能确保对变量递增的并发安全。

1. func AtomicAdd() { 
2.  var a int32 =  0 
3.  var wg sync.WaitGroup 
4.  start := time.Now() 
5.  for i := 0; i < 1000000; i++ { 
6.   wg.Add(1) 
7.   go func() { 
8.    defer wg.Done() 
9.    atomic.AddInt32(&a, 1) 
10.   }() 
11.  } 
12.  wg.Wait() 
13.  timeSpends := time.Now().Sub(start).Nanoseconds() 
14.  fmt.Printf("use atomic a is %d, spend time: %v\n", atomic.LoadInt32(&a), timeSpends) 
15. } 

可以在本地运行以上这两段代码，可以观察到计数器的结果都最后都是 1000000 ，都是线程安全的。

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。

上面的例子除了增加操作外我们还演示了载入操作，接下来我们来看一下 CAS 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 :

1. func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool) 
2.  
3. 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。

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。

上面我只列出了比较典型的 int32 和 unsafe.Pointer 类型的 CAS 方法，主要是想说除了读数值类型进行比较交换，还支持对指针进行比较交换。

unsafe.Pointer提供了绕过Go语言指针类型限制的方法，unsafe指的并不是说不安全，而是说官方并不保证向后兼容。

1. // 定义一个struct类型P 
2. type P struct{ x, y, z int } 
3.    
4. // 执行类型P的指针 
5. var pP *P 
6.    
7. func main() { 
8.    
9.     // 定义一个执行unsafe.Pointer值的指针变量 
10.     var unsafe1 = (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&pP)) 
11.    
12.     // Old pointer 
13.     var sy P 
14.    
15.     // 为了演示效果先将unsafe1设置成Old Pointer 
16.     px := atomic.SwapPointer( 
17.         unsafe1, unsafe.Pointer(&sy)) 
18.    
19.     // 执行CAS操作，交换成功，结果返回true 
20.     y := atomic.CompareAndSwapPointer( 
21.         unsafe1, unsafe.Pointer(&sy), px) 
22.    
23.     fmt.Println(y) 
24. } 

上面的示例并不是在并发环境下进行的 CAS ，只是为了演示效果，先把被操作数设置成了 Old Pointer 。

其实 Mutex 的底层实现也是依赖原子操作中的 CAS 实现的，原子操作的 atomic 包相当于是 sync 包里的那些同步原语的实现依赖。

比如互斥锁 Mutex 的结构里有一个 state 字段，其是表示锁状态的状态位。

1. type Mutex struct { 
2.  state int32 
3.  sema  uint32 
4. } 

为了方便理解，我们在这里将它的状态定义为0和1，0代表目前该锁空闲，1代表已被加锁，以下是 sync.Mutex 中 Lock 方法的部分实现代码。

1. func (m *Mutex) Lock() { 
2.    // Fast path: grab unlocked mutex. 
3.    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { 
4.        if race.Enabled { 
5.            race.Acquire(unsafe.Pointer(m)) 
6.        } 
7.        return 
8.    } 
9.    // Slow path (outlined so that the fast path can be inlined) 
10.     m.lockSlow() 
11. } 

在 atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) 中， m.state 代表锁的状态，通过 CAS 方法，判断锁此时的状态是否空闲（ m.state==0 ），是，则对其加锁（ mutexLocked 常量的值为1）。

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。

1. func StoreInt32(addr *int32, val int32) 
2.  
3. func StoreInt64(addr *int64, val int64) 
4.  
5. func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer) 
6.  
7. ... 

这些操作方法的定义与上面介绍的那些操作的方法类似，我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：

•  
  1. v.Store(c) 
  2. c 
  3. atomic.Value 
  4. v 
• 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。

简洁的接口使得它的使用也很简单，只需将需要做并发保护的变量读取和赋值操作用 Load() 和 Store() 代替就行了。

由于 Load() 返回的是一个 interface{} 类型，所以在使用前我们记得要先转换成具体类型的值，再使用。下面是一个简单的例子演示 atomic.Value 的用法。

1. type Rectangle struct { 
2.  length int 
3.  width  int 
4. } 
5.  
6. var rect atomic.Value 
7.  
8. func update(width, length int) { 
9.  rectLocal := new(Rectangle) 
10.  rectLocal.width = width 
11.  rectLocal.length = length 
12.  rect.Store(rectLocal) 
13. } 
14.  
15. func main() { 
16.  wg := sync.WaitGroup{} 
17.  wg.Add(10) 
18.  // 10 个协程并发更新 
19.  for i := 0; i < 10; i++ { 
20.   go func() { 
21.    defer wg.Done() 
22.    update(i, i+5) 
23.   }() 
24.  } 
25.  wg.Wait() 
26.  _r := rect.Load().(*Rectangle) 
27.  fmt.Printf("rect.width=%d\nrect.length=%d\n", _r.width, _r.length) 
28. } 

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

本文详细介绍了Go语言原子操作 atomic 包中会被高频使用的操作的使用场景和用法，当然我并没有罗列 atomic 包里所有操作的用法，主要是考虑到有的用到的地方实在不多，或者是已经被更好的方式替代，还有就是觉得确实没必要，看完本文的内容相信你已经完全具备自行探索 atomic 包的能力了。

再强调一遍，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。