Go并发编程之传统同步—(3)原子操作

前言

之前文章中介绍的互斥锁虽然能够保证同串行化，但是却保证不了执行过程中的中断。
要么成功、要么失败，没有中断的情况，我们叫它叫原子性，这种由硬件 CPU 提供支持的特性，是非常可靠的。

百度百科上关于原子操作的介绍。

原子操作

由 sync/atomic 包提供操作支持。

加法（add）

实现累加

func TestDemo1(t *testing.T) {
    var counter int64 = 0

    for i := 0; i < 100; i++ {
        go func() {
            atomic.AddInt64(&counter, 1)
        }()
    }

    time.Sleep(2 * time.Second)
    log.Println("counter:", atomic.LoadInt64(&counter))
}

结果

=== RUN   TestDemo1
2020/10/11 00:24:56 counter: 100
--- PASS: TestDemo1 (2.00s)
PASS

减法（add）

对于做减法，是没有直接提供的方法的，而 Add（-1）这种是不能对 uint 类型使用的，可以通过补码的方式实现

func TestDemo2(t *testing.T) {
    var counter uint64 = 100

    for i := 0; i < 100; i++ {
        go func() {
            atomic.AddUint64(&counter, ^uint64(-(-1)-1))
        }()
    }

    time.Sleep(2 * time.Second)
    log.Println("counter:", atomic.LoadUint64(&counter))
}

结果

=== RUN   TestDemo2
2020/10/11 00:32:05 counter: 0
--- PASS: TestDemo2 (2.00s)
PASS

比较并交换（compare and swap，简称 CAS）

并发编程中，在没有使用互斥锁的前提下，对共享数据先取出做判断，再根据判断的结果做后续操作，必然是会出问题的，使用 CAS 可以避免这种问题。

func TestDemo3(t *testing.T) {
    var first int64 = 0

    for i := 1; i <= 10000; i++ {
        go func(i int) {
            if atomic.CompareAndSwapInt64(&first, 0, int64(i)) {
                log.Println("抢先运行的是 goroutine", i)
            }
        }(i)
    }

    time.Sleep(2 * time.Second)
    log.Println("num:", atomic.LoadInt64(&first))
}

结果

=== RUN   TestDemo3
2020/10/11 00:42:10 抢先运行的是 goroutine 3
2020/10/11 00:42:12 num: 3
--- PASS: TestDemo3 (2.01s)
PASS

加载（load）

加载操作在进行时只会有一个，不会有其它的读写操作同时进行。

func TestDemo4(t *testing.T) {
    var counter int64 = 0

    for i := 0; i < 100; i++ {
        go func() {
            atomic.AddInt64(&counter, 1)
            log.Println("counter:", atomic.LoadInt64(&counter))
        }()
    }

    time.Sleep(2 * time.Second)
}

存储（store）

存储操作在进行时只会有一个，不会有其它的读写操作同时进行。

func TestDemo5(t *testing.T) {
    var counter int64 = 0

    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func(i int) {
            atomic.StoreInt64(&counter, int64(i))
            log.Println("counter:", atomic.LoadInt64(&counter))
        }(i)
    }

    time.Sleep(2 * time.Second)
}

交换（swap）

swap 方法返回被替换之前的旧值。

func TestDemo6(t *testing.T) {
    var counter int64 = 0

    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func(i int) {
            log.Println("counter old:", atomic.SwapInt64(&counter, int64(i)))
        }(i)
    }

    time.Sleep(2 * time.Second)
}

结果

=== RUN   TestDemo6
2020/10/11 00:43:36 counter old: 0
2020/10/11 00:43:36 counter old: 9
2020/10/11 00:43:36 counter old: 5
2020/10/11 00:43:36 counter old: 1
2020/10/11 00:43:36 counter old: 2
2020/10/11 00:43:36 counter old: 3
2020/10/11 00:43:36 counter old: 6
2020/10/11 00:43:36 counter old: 4
2020/10/11 00:43:36 counter old: 7
2020/10/11 00:43:36 counter old: 0
--- PASS: TestDemo6 (2.00s)
PASS

原子值（value）

value是一个结构体，内部值定义为 interface{}，所以它是可以接受任何类型的值。

第一次赋值的时候，原子值的类型就确认了，后面不能赋值其它类型的值。

func TestDemo7(t *testing.T) {
    var value atomic.Value
    var counter uint64 = 1

    value.Store(counter)
    log.Println("counter:", value.Load())

    value.Store(uint64(10))
    log.Println("counter:", value.Load())

    value.Store(100) // 引发 panic
    log.Println("counter:", value.Load())

    time.Sleep(2 * time.Second)
}

结果

=== RUN   TestDemo7
2020/10/11 10:14:58 counter: 0
2020/10/11 10:14:58 counter: 10
--- FAIL: TestDemo7 (0.00s)
panic: sync/atomic: store of inconsistently typed value into Value [recovered]
    panic: sync/atomic: store of inconsistently typed value into Value
                ...
Process finished with exit code 1

扩展

无锁编程

此处暂时先介绍一下，后面有机会出文章再一起学习进步。

放弃互斥锁，采用原子操作，常见方法有以下几种：

针对计数器

可以使用例如上面介绍的 Add 方法。

单生产、消费者

单生产者、单消费者可以做到免锁访问环形缓冲区（Ring Buffer）。
比如，Linux kernel 中的 kfifo 的实现。

RCU（Read Copy Update）

新旧副本切换机制，对于旧副本可以采用延迟释放的做法。

CAS（Compare And Swap）

如无锁栈，无锁队列等待

总结

1. 原子操作性能是高于互斥锁的，但带来的复杂性也会提高，真正用好并不容易。
2. 互斥锁、条件变量，方法内部的实现也都用到了原子操作，特别是CAS。

文章示例代码

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