Golang中的同步工具原子操作详解

前面几篇文章介绍了Golang中互斥锁、读写锁、条件变量，虽然它们可以很好地协调对共享资源的访问，但并不能保证原子操作。

原子操作

原子操作是指一系列操作要么全部执行成功，要么全部执行失败，不会有中间状态。

锁无法保证原子性是因为：

• 在锁保护的临界区代码执行期间，其他协程无法访问该代码段，但是它们可以访问其他资源，可能会导致原子操作失败；
• 锁虽然能做到只让一个goroutine执行临界区代码，不被其他goroutine打扰，不过仍然可能被系统中断（因为goroutine都是统一被runtime调度的，runtime会频繁切换一个goroutine的运行状态）

可以看出原子操作的粒度更细，它对单个变量的访问进行了原子化保证，在操作完成之前会阻塞其他并发操作。能够保证原子性执行的只有原子操作，原子操作在执行过程中是不允许被中断的。在计算机底层，原子性是由CPU支持的，所以绝对有效。Golang中的原子操作是基于操作系统和CPU的，具体功能由标准库中的sync/atomic包提供。

sync/atomic

sync/atomic包提供的原子操作有Add、Load、Store、Swap和CompareAndSwap，这些函数支持的数据类型有int32、int64、uint32、uint64、uintptr和unsafe包中的Pointer,不过，没有提供针对unsafe.Pointer的Add方法。具体方法如下：

• AddInt32/AddInt64/AddUint32/AddUint64/AddUintptr: 原子地将指定的值加到一个地址中的值上。
• CompareAndSwapInt32/CompareAndSwapInt64/CompareAndSwapUint32/CompareAndSwapUint64/CompareAndSwapUintptr/CompareAndSwapPointer: 原子地比较一个指定类型地址中的值，如果该值和参数old匹配，就在那个地址处存储参数new。
• SwapInt32/SwapInt64/SwapUint32/SwapUint64/SwapUintptr/SwapPointer: 原子地将值存储在指定地址处，并返回此地址的旧值。
• LoadInt32/LoadInt64/LoadUint32/LoadUint64/LoadUintptr/LoadPointer: 原子地返回指定地址中的值。
• StoreInt32/StoreInt64/StoreUint32/StoreUint64/StoreUintptr/StorePointer: 原子地将指定值存储到指定类型地址中。

此外，sync/atomic包还提供一个名称为Value的类型，可以被用来存储任意类型的值，结构如下：

type Value struct {
	v any
}

使用方法和示例

使用原子操作可以用于计算需要在多个goroutine之间共享的计数器。例如，计算在线用户数量、任务完成情况等等。

package main

import (
	"fmt"
	"sync/atomic"
)

func main() {
	var counter int64
	done := make(chan bool)

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

	for i := 0; i < 100; i++ {
		<-done
	}

	fmt.Println(counter)
}

首先声明了一个int64类型的计数器变量counter，使用AddInt64原子操作对其进行递增。通过使用AddInt64，确保了每个goroutine对其值的修改操作都能够安全进行。

再看一个自旋锁的示例：

package main

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

func main() {
	sign := make(chan struct{}, 2)
	var num int32
	go func() {
		defer func() {
			sign <- struct{}{}
		}()
		for {
			// 定时增大num值
			time.Sleep(time.Millisecond * 500)
			newNum := atomic.AddInt32(&num, 2)
			fmt.Printf("num当前值为: %d\n", newNum)
			// 满足条件后退出
			if newNum == 10 {
				break
			}
		}
	}()
	go func() {
		// 定时检查num值，等于10则归零
		defer func() {
			sign <- struct{}{}
		}()
		for {
			if atomic.CompareAndSwapInt32(&num, 10, 0) {
				fmt.Println("已将num归零")
				break
			}
			time.Sleep(time.Millisecond * 500)
		}
	}()
	<-sign
	<-sign
}