Golang sync/atomic包——原子操作

1、概述

1.1 基本概念

原子性:一个或多个操作在CPU的执行过程中不被中断的特性,称为原子性。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。

原子操作:进行过程中不能被中断的操作,原子操作由底层硬件支持,而锁则是由操作系统提供的API实现,若实现相同的功能,前者通常会更有效率

Golang 中的原子操作:sync/atomic包

能够进行原子操作的类型:int32, int64, uint32, uint64, uintptr, unsafe.Pointer

五种操作函数:增或减、比较并交换、载入、存储、交换

原子操作比锁更为高效。

1.2 原子操作 vs 锁

  • 加锁比较耗时,需要上下文切换。即使是goroutine也需要上下文切换
  • 只针对基本类型,可使用原子操作保证线程安全
  • 原子操作在用户态完成,性能比互斥锁要高
  • 原子操作步骤简单,不需要加锁-操作-解锁

1.3 五种操作

  • 增或减 (Add)
  • 比较并交换 (CAS, Compare & Swap)
  • 载入 (Load)
  • 存储 (Store)
  • 交换 (Swap)

1.4 最小案例

package main

import (
	"sync"
	"fmt"
)

var count int

func add(wg *sync.WaitGroup) {
	defer wg.Done()
	count++
}

func main() {
	wg := sync.WaitGroup{}
	wg.Add(1000)
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		go add(&wg)
	}
	wg.Wait()
	fmt.Println(count)
}

count不会等于1000,因为count++这一步实际是三个操作:

  • 从内存读取count
  • CPU更新count = count + 1
  • 写入count到内存

因此就会出现多个goroutine读取到相同的数值,然后更新同样的数值到内存,导致最终结果比预期少。

2、sync/atomic包使用

Go语言提供的原子操作都是非入侵式的,由标准库中sync/aotomic中的众多函数代表

atomic包中支持六种类型

  • int32
  • uint32
  • int64
  • uint64
  • uintptr
  • unsafe.Pointer

对于每一种类型,提供了五类原子操作:

  • LoadXXX(addr): 原子性的获取*addr的值,等价于:
    return *addr
  • StoreXXX(addr, val): 原子性的将val的值保存到*addr,等价于:
    addr = val
  • AddXXX(addr, delta): 原子性的将delta的值添加到*addr并返回新值(unsafe.Pointer不支持),等价于:
    *addr += delta
    return *addr
  • SwapXXX(addr, new) old: 原子性的将new的值保存到*addr并返回旧值,等价于:
    old = *addr
    *addr = new
    return old
  • CompareAndSwapXXX(addr, old, new) bool: 原子性的比较*addrold,如果相同则将new赋值给*addr并返回true,等价于:
    if *addr == old {
        *addr = new
        return true
    }
    return false
Golang sync/atomic包——原子操作

因此第一部分的案例可以修改如下,即可通过

// 修改方式1
func add(wg *sync.WaitGroup) {
	defer wg.Done()
	atomic.AddInt32(&count, 1)
}

// 修改方式2
func add(wg *sync.WaitGroup) {
	defer wg.Done()
	for {
		if atomic.CompareAndSwapInt32(&count, count, count+1) {
			break
		}
	}
}

参考:https://juejin.cn/post/6844904053042839560

参考:https://blog.csdn.net/elihe2011/article/details/109157797

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