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，确保同一时间只有一个goroutine能够进行操作。

先来看一个例子：分别用“锁”和原子操作来实现多个 goroutine 对同一个变量进行累加操作。

使用锁实现

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    var (
        mux   sync.Mutex
        total = 0
    )

    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            for {
                mux.Lock()
                total += 1
                mux.Unlock()
                time.Sleep(time.Millisecond)
            }
        }()
    }

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("The total number is", atomic.LoadUint64(&total))
}

运行代码可以得到类似输出：

The total number is 7770

使用 atomic 实现

package main

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

func main() {
    var total int64

    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            for {
                atomic.AddInt64(&total, 1)
                time.Sleep(time.Millisecond)
            }
        }()
    }

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("The total number is", total)
}

运行代码可以得到类似输出：

The total number is 7701

载入操作

atomic 包中提供了如下以Load为前缀的载入操作:

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 goroutine 都无法对该变量进行读写.

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。

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)

在原子地存储某个值的过程中，任何 goroutine 都不会进行针对同一个值的读或写操作。

结论

atomic 和锁的方式其性能没有太大区别。
atomic 写法相较于使用锁，更简单。