一個(gè)或者多個(gè)操作在 CPU 執(zhí)行的過程中不被中斷的特性，稱為 原子性（atomicity） 。這些操作對(duì)外表現(xiàn)成一個(gè)不可分割的整體，他們要么都執(zhí)行，要么都不執(zhí)行，外界不會(huì)看到他們只執(zhí)行到一半的狀態(tài)。

CPU 執(zhí)行一系列操作時(shí)不可能不發(fā)生中斷，但如果我們?cè)趫?zhí)行多個(gè)操作時(shí)，能讓他們的 中間狀態(tài)對(duì)外不可見 ，那我們就可以宣稱他們擁有了"不可分割”的原子性。

類似的解釋我們?cè)跀?shù)據(jù)庫事務(wù)的 ACID 概念里也聽過。

Go 語言提供了哪些原子操作

Go 語言通過內(nèi)置包 sync/atomic 提供了對(duì)原子操作的支持，其提供的原子操作有以下幾大類：

•  

AddXXXType 
int32 
int64 
uint32 
uint64 
uintptr 
XXXType 

• 載入，保證了讀取到操作數(shù)前沒有其他任務(wù)對(duì)它進(jìn)行變更，操作方法的命名方式為 LoadXXXType ，支持的類型除了基礎(chǔ)類型外還支持 Pointer ，也就是支持載入任何類型的指針。
• 存儲(chǔ)，有載入了就必然有存儲(chǔ)操作，這類操作的方法名以 Store 開頭，支持的類型跟載入操作支持的那些一樣。
•  

CAS 
Go 
CAS 

• 交換，這個(gè)簡單粗暴一些，不比較直接交換，這個(gè)操作很少會(huì)用。

互斥鎖跟原子操作的區(qū)別

平日里，在并發(fā)編程里，Go語言 sync 包里的同步原語 Mutex 是我們經(jīng)常用來保證并發(fā)安全的，那么他跟 atomic 包里的這些操作有啥區(qū)別呢？在我看來他們?cè)谑褂媚康暮偷讓訉?shí)現(xiàn)上都不一樣：

• 使用目的：互斥鎖是用來保護(hù)一段邏輯，原子操作用于對(duì)一個(gè)變量的更新保護(hù)。

• 底層實(shí)現(xiàn)： Mutex 由 操作系統(tǒng) 的調(diào)度器實(shí)現(xiàn)，而 atomic 包中的原子操作則由 底層硬件指令 直接提供支持，這些指令在執(zhí)行的過程中是不允許中斷的，因此原子操作可以在 lock-free 的情況下保證并發(fā)安全，并且它的性能也能做到隨 CPU 個(gè)數(shù)的增多而線性擴(kuò)展。

對(duì)于一個(gè)變量更新的保護(hù)，原子操作通常會(huì)更有效率，并且更能利用計(jì)算機(jī)多核的優(yōu)勢。

比如下面這個(gè)，使用互斥鎖的并發(fā)計(jì)數(shù)器程序：

func mutexAdd() { 
 var a int32 =  0 
 var wg sync.WaitGroup 
 var mu sync.Mutex 
 start := time.Now() 
 for i := 0; i < 100000000; i++ { 
  wg.Add(1) 
  go func() { 
   defer wg.Done() 
   mu.Lock() 
   a += 1 
   mu.Unlock() 
  }() 
 } 
 wg.Wait() 
 timeSpends := time.Now().Sub(start).Nanoseconds() 
 fmt.Printf("use mutex a is %d, spend time: %v\n", a, timeSpends) 
} 

把 Mutex 改成用方法 atomic.AddInt32(&a, 1) 調(diào)用，在不加鎖的情況下仍然能確保對(duì)變量遞增的并發(fā)安全。

func AtomicAdd() { 
 var a int32 =  0 
 var wg sync.WaitGroup 
 start := time.Now() 
 for i := 0; i < 1000000; i++ { 
  wg.Add(1) 
  go func() { 
   defer wg.Done() 
   atomic.AddInt32(&a, 1) 
  }() 
 } 
 wg.Wait() 
 timeSpends := time.Now().Sub(start).Nanoseconds() 
 fmt.Printf("use atomic a is %d, spend time: %v\n", atomic.LoadInt32(&a), timeSpends) 
} 

可以在本地運(yùn)行以上這兩段代碼，可以觀察到計(jì)數(shù)器的結(jié)果都最后都是 1000000 ，都是線程安全的。

需要注意的是，所有原子操作方法的被操作數(shù)形參必須是指針類型，通過指針變量可以獲取被操作數(shù)在內(nèi)存中的地址，從而施加特殊的CPU指令，確保同一時(shí)間只有一個(gè)goroutine能夠進(jìn)行操作。

上面的例子除了增加操作外我們還演示了載入操作，接下來我們來看一下 CAS 操作。

比較并交換

該操作簡稱 CAS (Compare And Swap)。這類操作的前綴為 CompareAndSwap :

func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool) 
 
func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool) 

該操作在 進(jìn)行交換前首先確保被操作數(shù)的值未被更改，即仍然保存著參數(shù) old 所記錄的值，滿足此前提條件下才進(jìn)行交換操作 。 CAS 的做法類似操作數(shù)據(jù)庫時(shí)常見的樂觀鎖機(jī)制。

需要注意的是，當(dāng)有大量的goroutine 對(duì)變量進(jìn)行讀寫操作時(shí)，可能導(dǎo)致 CAS 操作無法成功，這時(shí)可以利用 for 循環(huán)多次嘗試。

上面我只列出了比較典型的 int32 和 unsafe.Pointer 類型的 CAS 方法，主要是想說除了讀數(shù)值類型進(jìn)行比較交換，還支持對(duì)指針進(jìn)行比較交換。

unsafe.Pointer提供了繞過Go語言指針類型限制的方法，unsafe指的并不是說不安全，而是說官方并不保證向后兼容。

// 定義一個(gè)struct類型P 
type P struct{ x, y, z int } 
   
// 執(zhí)行類型P的指針 
var pP *P 
   
func main() { 
   
    // 定義一個(gè)執(zhí)行unsafe.Pointer值的指針變量 
    var unsafe1 = (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&pP)) 
   
    // Old pointer 
    var sy P 
   
    // 為了演示效果先將unsafe1設(shè)置成Old Pointer 
    px := atomic.SwapPointer( 
        unsafe1, unsafe.Pointer(&sy)) 
   
    // 執(zhí)行CAS操作，交換成功，結(jié)果返回true 
    y := atomic.CompareAndSwapPointer( 
        unsafe1, unsafe.Pointer(&sy), px) 
   
    fmt.Println(y) 
} 

上面的示例并不是在并發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的 CAS ，只是為了演示效果，先把被操作數(shù)設(shè)置成了 Old Pointer 。

其實(shí) Mutex 的底層實(shí)現(xiàn)也是依賴原子操作中的 CAS 實(shí)現(xiàn)的，原子操作的 atomic 包相當(dāng)于是 sync 包里的那些同步原語的實(shí)現(xiàn)依賴。

比如互斥鎖 Mutex 的結(jié)構(gòu)里有一個(gè) state 字段，其是表示鎖狀態(tài)的狀態(tài)位。

type Mutex struct { 
 state int32 
 sema  uint32 
} 

為了方便理解，我們?cè)谶@里將它的狀態(tài)定義為0和1，0代表目前該鎖空閑，1代表已被加鎖，以下是 sync.Mutex 中 Lock 方法的部分實(shí)現(xiàn)代碼。

func (m *Mutex) Lock() { 
   // Fast path: grab unlocked mutex. 
   if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { 
       if race.Enabled { 
           race.Acquire(unsafe.Pointer(m)) 
       } 
       return 
   } 
   // Slow path (outlined so that the fast path can be inlined) 
    m.lockSlow() 
} 

在 atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) 中， m.state 代表鎖的狀態(tài)，通過 CAS 方法，判斷鎖此時(shí)的狀態(tài)是否空閑（ m.state==0 ），是，則對(duì)其加鎖（ mutexLocked 常量的值為1）。

atomic.Value保證任意值的讀寫安全

atomic 包里提供了一套 Store 開頭的方法，用來保證各種類型變量的并發(fā)寫安全，避免其他操作讀到了修改變量過程中的臟數(shù)據(jù)。

func StoreInt32(addr *int32, val int32) 
 
func StoreInt64(addr *int64, val int64) 
 
func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer) 
 
... 

這些操作方法的定義與上面介紹的那些操作的方法類似，我就不再演示怎么使用這些方法了。

值得一提的是如果你想要并發(fā)安全的設(shè)置一個(gè)結(jié)構(gòu)體的多個(gè)字段，除了把結(jié)構(gòu)體轉(zhuǎn)換為指針，通過 StorePointer 設(shè)置外，還可以使用 atomic 包后來引入的 atomic.Value ，它在底層為我們完成了從具體指針類型到 unsafe.Pointer 之間的轉(zhuǎn)換。

有了 atomic.Value 后，它使得我們可以不依賴于不保證兼容性的 unsafe.Pointer 類型，同時(shí)又能將任意數(shù)據(jù)類型的讀寫操作封裝成原子性操作（中間狀態(tài)對(duì)外不可見）。

atomic.Value 類型對(duì)外暴露了兩個(gè)方法：

•  

v.Store(c) 
c 
atomic.Value 
v 

• c := v.Load() - 讀操作，從線程安全的 v 中讀取上一步存放的內(nèi)容。

1.17 版本我看還增加了 Swap 和 CompareAndSwap 方法。

簡潔的接口使得它的使用也很簡單，只需將需要做并發(fā)保護(hù)的變量讀取和賦值操作用 Load() 和 Store() 代替就行了。

由于 Load() 返回的是一個(gè) interface{} 類型，所以在使用前我們記得要先轉(zhuǎn)換成具體類型的值，再使用。下面是一個(gè)簡單的例子演示 atomic.Value 的用法。

type Rectangle struct { 
 length int 
 width  int 
} 
 
var rect atomic.Value 
 
func update(width, length int) { 
 rectLocal := new(Rectangle) 
 rectLocal.width = width 
 rectLocal.length = length 
 rect.Store(rectLocal) 
} 
 
func main() { 
 wg := sync.WaitGroup{} 
 wg.Add(10) 
 // 10 個(gè)協(xié)程并發(fā)更新 
 for i := 0; i < 10; i++ { 
  go func() { 
   defer wg.Done() 
   update(i, i+5) 
  }() 
 } 
 wg.Wait() 
 _r := rect.Load().(*Rectangle) 
 fmt.Printf("rect.width=%d\nrect.length=%d\n", _r.width, _r.length) 
} 

你也可以試試，不用 atomic.Value ，直接給 Rectange 類型的指針變量賦值，看看在并發(fā)條件下，兩個(gè)字段的值是不是能跟預(yù)期的一樣變成10和15。

總結(jié)

本文詳細(xì)介紹了Go語言原子操作 atomic 包中會(huì)被高頻使用的操作的使用場景和用法，當(dāng)然我并沒有羅列 atomic 包里所有操作的用法，主要是考慮到有的用到的地方實(shí)在不多，或者是已經(jīng)被更好的方式替代，還有就是覺得確實(shí)沒必要，看完本文的內(nèi)容相信你已經(jīng)完全具備自行探索 atomic 包的能力了。

再強(qiáng)調(diào)一遍，原子操作由 底層硬件 支持，而鎖則由操作系統(tǒng)的 調(diào)度器 實(shí)現(xiàn)。鎖應(yīng)當(dāng)用來保護(hù)一段邏輯，對(duì)于一個(gè)變量更新的保護(hù)，原子操作通常會(huì)更有效率，并且更能利用計(jì)算機(jī)多核的優(yōu)勢，如果要更新的是一個(gè)復(fù)合對(duì)象，則應(yīng)當(dāng)使用 atomic.Value 封裝好的實(shí)現(xiàn)。