Go并发编程之原子操作sync/atomic

sync/atomic定义

官方文档地址：https://pkg.go.dev/sync/atomi...

Go语言标准库中的sync/atomic包提供了偏底层的原子内存原语(atomic memory primitives)，用于实现同步算法，其本质是将底层CPU提供的原子操作指令封装成了Go函数。

使用sync/atomic提供的原子操作可以确保在任意时刻只有一个goroutine对变量进行操作，避免并发冲突。

使用sync/atomic需要特别小心，Go官方建议只有在一些偏底层的应用场景里才去使用sync/atomic，其它场景建议使用channel或者sync包里的锁。

Share memory by communicating; don't communicate by sharing memory.

sync/atomic提供了5种类型的原子操作和1个Value类型。

5种类型的原子操作

• swap操作：SwapXXX
• compare-and-swap操作：CompareAndSwapXXX
• add操作：AddXXX
• load操作：LoadXXX
• store操作：StoreXXX

这几种类型的原子操作只支持几个基本的数据类型。

add操作的Addxxx函数只支持int32, int64, uint32, uint64, uintptr这5种基本数据类型。

其它类型的操作函数只支持int32, int64, uint32, uint64, uintptr, unsafe.Pointer这6种基本数据类型。

Value类型

由于上面5种类型的原子操作只支持几种基本的数据类型，因此为了扩大原子操作的使用范围，Go团队在1.4版本的sync/atomic包中引入了一个新的类型Value。Value类型可以用来读取(Load)和修改(Store)任意类型的值。

Go 1.4版本的Value类型只有Load和Store2个方法，Go 1.17版本又给Value类型新增了CompareAndSwap和Swap这2个新方法。

sync/atomic实践

swap操作

swap操作支持int32, int64, uint32, uint64, uintptr, unsafe.Pointer这6种基本数据类型，对应有6个swap操作函数。

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)

swap操作实现的功能是把addr 指针指向的内存里的值替换为新值new，然后返回旧值old，是如下伪代码的原子实现：

old = *addr
*addr = new
return old

我们拿SwapInt32举个例子：

// swap.go
package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

func main() {
    var newValue int32 = 200
    var dst int32 = 100
    // 把dst的值替换为newValue
    old := atomic.SwapInt32(&dst, newValue)
    // 打印结果
    fmt.Println("old value: ", old, " new value:", dst)
}

上面程序的执行结果如下：

old value:  100  new value: 200

compare-and-swap操作

compare-and-swap(CAS)操作支持int32, int64, uint32, uint64, uintptr, unsafe.Pointer这6种基本数据类型，对应有6个compare-and-swap操作函数。

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)

compare-and-swap操作实现的功能是先比较addr 指针指向的内存里的值是否为旧值old相等。

• 如果相等，就把addr指针指向的内存里的值替换为新值new，并返回true，表示操作成功。
• 如果不相等，直接返回false，表示操作失败。

compare-and-swap操作是如下伪代码的原子实现：

if *addr == old {
    *addr = new
    return true
}
return false

我们拿CompareAndSwapInt32举个例子：

// compare-and-swap.go
package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

func main() {
    var dst int32 = 100
    oldValue := atomic.LoadInt32(&dst)
    var newValue int32 = 200
    // 先比较dst的值和oldValue的值，如果相等，就把dst的值替换为newValue
    swapped := atomic.CompareAndSwapInt32(&dst, oldValue, newValue)
    // 打印结果
    fmt.Printf("old value: %d, swapped value: %d, swapped success: %v\n", oldValue, dst, swapped)
}

上面程序的执行结果如下：

old value: 100, swapped value: 200, swapped success: true

add操作

add操作支持int32, int64, uint32, uint64, uintptr这5种基本数据类型，对应有5个add操作函数。

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)

add操作实现的功能是把addr 指针指向的内存里的值和delta做加法，然后返回新值，是如下伪代码的原子实现：

*addr += delta
return *addr

我们拿AddInt32举个例子：

// add.go
package main

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

var wg sync.WaitGroup

// 多个goroutine并发读写sum，有并发冲突，最终计算得到的sum值是不准确的
func test1() {
    var sum int32 = 0
    N := 100
    wg.Add(N)
    for i := 0; i < N; i++ {
        go func(i int32) {
            sum += i
            wg.Done()
        }(int32(i))
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println("func test1, sum=", sum)
}

// 使用原子操作计算sum，没有并发冲突，最终计算得到sum的值是准确的
func test2() {
    var sum int32 = 0
    N := 100
    wg.Add(N)
    for i := 0; i < N; i++ {
        go func(i int32) {
            atomic.AddInt32(&sum, i)
            wg.Done()
        }(int32(i))
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println("func test2, sum=", sum)
}

func main() {
    test1()
    test2()
}

上面程序的执行结果如下：

func test1, sum= 4857
func test2, sum= 4950

注意：对于test1函数，你本地运行得到的结果可能和我的不一样，这个值并不是一个固定值。

load操作

load操作支持int32, int64, uint32, uint64, uintptr, unsafe.Pointer这6种基本数据类型，对应有6个load操作函数。

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)

load操作实现的功能是返回addr 指针指向的内存里的值，是如下伪代码的原子实现：

return *addr

我们拿LoadInt32举个例子：

// load.go
package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

func main() {
    var sum int32 = 100
    result := atomic.LoadInt32(&sum)
    fmt.Println("result=", result)
}

上面程序的执行结果如下：

result= 100

store操作

store操作支持int32, int64, uint32, uint64, uintptr, unsafe.Pointer这6种基本数据类型，对应有6个store操作函数。

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)

store操作实现的功能是把addr 指针指向的内存里的值修改为val，是如下伪代码的原子实现：

*addr = val

我们拿StoreInt32举个例子：

// store.go
package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

func main() {
    var sum int32 = 100
    var newValue int32 = 200
    // 将sum的值修改为newValue
    atomic.StoreInt32(&sum, newValue)
    // 读取修改后的sum值
    result := atomic.LoadInt32(&sum)
    // 打印结果
    fmt.Println("result=", result)
}

上面程序的执行结果如下：

result= 200

Value类型

Go标准库里的sync/atomic包提供了Value类型，可以用来并发读取和修改任何类型的值。

Value类型的定义如下：

// A Value provides an atomic load and store of a consistently typed value.
// The zero value for a Value returns nil from Load.
// Once Store has been called, a Value must not be copied.
//
// A Value must not be copied after first use.
type Value struct {
    v any
}

Value类型有4个方法：CompareAndSwap, Load, Store, Swap，定义如下：

func (v *Value) CompareAndSwap(old, new any) (swapped bool)
func (v *Value) Load() (val any)
func (v *Value) Store(val any)
func (v *Value) Swap(new any) (old any)

源码实现：https://cs.opensource.google/...

下面是一个具体的示例：对map[string][string]类型做并发读写，为了避免加锁，使用value类型来读取和修改map[string][string]。

package main

import (
    "sync/atomic"
    "time"
)

func loadConfig() map[string]string {
    // 从数据库或者文件系统中读取配置信息，然后以map的形式存放在内存里
    return make(map[string]string)
}

func requests() chan int {
    // 将从外界中接收到的请求放入到channel里
    return make(chan int)
}

func main() {
    // config变量用来存放该服务的配置信息
    var config atomic.Value
    // 初始化时从别的地方加载配置文件，并存到config变量里
    config.Store(loadConfig())
    go func() {
        // 每10秒钟定时拉取最新的配置信息，并且更新到config变量里
        for {
            time.Sleep(10 * time.Second)
            // 对应于赋值操作 config = loadConfig()
            config.Store(loadConfig())
        }
    }()
    // 创建协程，每个工作协程都会根据它所读取到的最新的配置信息来处理请求
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            for r := range requests() {
                // 对应于取值操作 c := config
                // 由于Load()返回的是一个interface{}类型，所以我们要先强制转换一下
                c := config.Load().(map[string]string)
                // 这里是根据配置信息处理请求的逻辑...
                _, _ = r, c
            }
        }()
    }
}

总结和注意事项

• 原子操作由底层CPU的原子操作指令支持。
• 5种原子操作和Value类型的官方文档地址：https://pkg.go.dev/sync/atomi...
• CAS操作会有ABA问题
• 对于386处理器架构，64-bit原子操作函数使用了奔腾MMX或更新处理器型号才支持的CPU指令。对于非Linux的ARM处理器架构，64-bit原子操作函数使用了ARMv6k core或更新处理器型号才支持的CPU指令。对于ARM, 386和32-bit MIPS处理器架构，原子操作的调用者要对进行原子访问的64bit字(word)按照64-bit进行内存对齐。变量或者分配的结构体、数组和切片的第1个字可以认为是64-bit对齐的。(这块涉及到内存对齐，后面抽个专题详解)

开源地址

文章和示例代码开源在GitHub: Go语言初级、中级和高级教程。

公众号：coding进阶。关注公众号可以获取最新Go面试题和技术栈。

个人网站：Jincheng's Blog。

知乎：无忌。

References

• https://pkg.go.dev/sync/atomi...
• https://blog.betacat.io/post/...
• https://gfw.go101.org/article...