Go 语言学习笔记——原子操作

小艾

发布于：Nov 8, 2022

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通过前面的笔记，了解到了 Go 的同步工具——互斥锁的相关知识。

通过对互斥锁的合理使用，可以使一个 goroutine 在执行临界区中的代码时，不被其他的 goroutine 打扰（保证临界区中代码的串行执行）。不过，虽然不会被打扰，但是它仍然可能会被中断（interruption）。

原子操作

通过前面学习 goroutine 的调度原理可以知道，goroutine 调度器会从本地运行队列依次调用队列中的 goroutine 与物理处理器 M 运行，

因此，在同一时刻，只可能有少数的 goroutine 真正地处于运行状态，并且这个数量只会与 M 的数量一致，而不会随着队列中的 goroutine 增多而增长。

当遇到阻塞的系统调用时，调度器会将等待系统调用的 goroutine 暂时换下，同时会从本地运行队列里换上另外一个 goroutine 来运行。

这里的换上的意思是，让一个 goroutine 由非运行状态转为运行状态，并促使其中的代码在某个 CPU 核心上执行。换下的意思正好相反，即：使一个 goroutine 中的代码中断执行，并让它由运行状态转为非运行状态。

这个中断的时机有很多，任何两条语句执行的间隙，甚至在某条语句执行的过程中都是可以的。

即使这些语句在临界区之内也是如此。所以，互斥锁虽然可以保证临界区中代码的串行执行，但却不能保证这些代码执行的原子性（atomicity）。

在众多的同步工具中，真正能够保证原子性执行的只有原子操作（atomic operation）。原子操作在进行的过程中是不允许中断的。在底层，这会由 CPU 提供芯片级别的支持，所以绝对有效。即使在拥有多 CPU 核心，或者多 CPU 的计算机系统中，原子操作的保证也是不可撼动的。

这使得原子操作可以完全地消除竞态条件，并能够绝对地保证并发安全性。并且，它的执行速度要比其他的同步工具快得多，通常会高出好几个数量级。不过，它的缺点也很明显。

正是因为原子操作不能被中断，所以它需要足够简单，并且要求快速完成。

因为如果原子操作迟迟不能完成，而它又不会被中断，这将给计算机执行指令的效率带来很大的影响。

sync.atomic

Go 语言的原子操作当然是基于 CPU 和操作系统的，所以它也只针对少数数据类型的值提供了原子操作函数。这些函数都存在于标准库代码包 sync/atomic 中。

sync/atomic 包中的函数可以做的原子操作有：

加法（add）
比较并交换（compare and swap，简称 CAS）
加载（load）存储（store）和交换（swap）

这些函数针对的数据类型并不多。但是，对这些类型中的每一个，sync/atomic 包都会有一套函数给予支持。这些数据类型有：int32、int64、uint32、uint64、uintptr，以及unsafe 包中的Pointer。不过，针对unsafe.Pointer类型，该包并未提供进行原子加法操作的函数。

下面这段示例代码，是介绍 sync.Mutex与sync 这篇笔记中的一段代码，当时虽然使用互斥锁解决了竞争条件，但是并没有保证绝对的并发安全，对于原子性问题，就应该使用原子操作来解决。

下面使用原子操作来解决：

var (
	counter int32
	wg sync.WaitGroup
)

func main() {
	wg.Add(2)

	go incCounter()
	go incCounter()

	wg.Wait()
	fmt.Println("Final Counter:", counter)
}

func incCounter() {
	defer wg.Done()

	for count := 0; count < 2; count++ {
		// 当前 goroutine 从线程退出，并放回队列
		runtime.Gosched()

		// 绝对安全地对 counter 加 1
		atomic.AddInt32(&counter, 1)
	}
}

运行一下，输出如下：

1	Final Counter: 4

可以看到，也是符合预期的。

原子操作使用常见问题

下面通过一些常见的问题，来更深入了解原子操作。

1. 原子操作函数的第一个参数为什么必须是（整型）指针类型？

因为整型作为函数参数是值传递，被传入的参数值都会被复制一份，对传入的参数进行修改是不会影响到原值的，因此，想要修改原值，就必须传入被被操作值的指针，而不是这个值本身。

2. 用于原子加法操作的函数可以做原子减法吗？

可以的，atomic.AddInt32 函数的第二个参数代表差量，它的类型可以是 int32，是有符号的。因此，如果想做原子减法，那么把这个差量设置为负整数就可以了。

总结

不要把内部使用的原子值暴露给外界。比如，声明一个全局的原子变量并不是一个正确的做法。这个变量的访问权限最起码也应该是包级私有的。
如果不得不让包外，或模块外的代码使用你的原子值，那么可以声明一个包级私有的原子变量，然后再通过一个或多个公开的函数，让外界间接地使用到它。注意，这种情况下不要把原子值传递到外界，不论是传递原子值本身还是它的指针值。
如果通过某个函数可以向内部的原子值存储值的话，那么就应该在这个函数中先判断被存储值类型的合法性。若不合法，则应该直接返回对应的错误值，从而避免 panic 的发生。
如果可能的话，可以把原子值封装到一个数据类型中，比如一个结构体类型。这样，既可以通过该类型的方法更加安全地存储值，又可以在该类型中包含可存储值的合法类型信息。