Golang package atomic库

Go语言在设计上对同步（Synchronization，数据同步和线程同步）提供大量的支持，比如 goroutine和channel同步原语，库层面有

sync：提供基本的同步原语（比如Mutex、RWMutex、Locker）和工具类（Once、WaitGroup、Cond、Pool、Map）
sync/atomic：提供变量的原子操作（基于硬件指令 compare-and-swap）

atomic

当我们想要对某个变量并发安全的修改，除了使用官方提供的 mutex，还可以使用 sync/atomic 包的原子操作，它能够保证对变量的读取或修改期间不被其他的协程所影响。

atomic 包的原子操作是通过 CPU 指令，也就是在硬件层次去实现的，性能较好，不需要像 mutex 那样记录很多状态。当然，mutex 不止是对变量的并发控制，更多的是对代码块的并发控制，2 者侧重点不一样。

atomic 这些功能需要非常小心才能正确使用。除了特殊的低级应用程序外，最好使用通道或同步包的工具来完成同步。通过通信共享内存；不要通过共享内存进行通信。

atomic 包有几种原子操作，主要是 Add、CompareAndSwap、Load、Store、Swap

Add

atomic 的 Add 是针对 int 和 uint 进行原子加值的：

当需要添加的值为负数的时候，做减法，正数做加法

func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)
func AddUint32(addr *uint32, delta uint32) (new uint32)
func AddInt64(addr *int64, delta int64) (new int64)
func AddUint64(addr *uint64, delta uint64) (new uint64)
func AddUintptr(addr *uintptr, delta uintptr) (new uintptr)

CompareAndSwap

比较并交换方法实现了类似乐观锁的功能，只有原来的值和传入的 old 值一样，才会去修改,

CAS 操作，会先比较传入的地址的值是否是 old，如果是的话就尝试赋新值，如果不是的话就直接返回 false，返回 true 时表示赋值成功。

func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)
func CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64) (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)
func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool)

需要注意的是，CompareAndSwap 有可能产生ABA现象发生。也就是原来的值是 A，后面被修改 B，再后面修改为 A。在这种情况下也符合了 CompareAndSwap 规则，即使中途有被改动过。

Load

从某个地址中取值

Load 方法是为了防止在读取过程中，有其他协程发起修改动作，影响了读取结果，常用于配置项的整个读取。

func LoadInt32(addr *int32) (val int32)
func LoadInt64(addr *int64) (val int64)
func LoadUint32(addr *uint32) (val uint32)
func LoadUint64(addr *uint64) (val uint64)
func LoadUintptr(addr *uintptr) (val uintptr)
func LoadPointer(addr *unsafe.Pointer) (val unsafe.Pointer)

Store

给某个地址赋值

有原子读取，就有原子修改值，前面提到过的 Add 只适用于 int、uint 类型的增减，并没有其他类型的修改，而 Sotre 方法通过 unsafe.Pointer 指针原子修改，来达到了对其他类型的修改。

func StoreInt32(addr *int32, val int32)
func StoreInt64(addr *int64, val int64)
func StoreUint32(addr *uint32, val uint32)
func StoreUint64(addr *uint64, val uint64)
func StoreUintptr(addr *uintptr, val uintptr)
func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer)

Swap

交换两个值，并且返回老的值

Swap 方法实现了对值的原子交换，不仅 int，uint 可以交换，指针也可以。

func SwapInt32(addr *int32, new int32) (old int32)
func SwapInt64(addr *int64, new int64) (old int64)
func SwapUint32(addr *uint32, new uint32) (old uint32)
func SwapUint64(addr *uint64, new uint64) (old uint64)
func SwapUintptr(addr *uintptr, new uintptr) (old uintptr)
func SwapPointer(addr *unsafe.Pointer, new unsafe.Pointer) (old unsafe.Pointer)

value类型

最后一类Value 用于任意类型的值的 Store、Load，我们开始的案例就用到了这个，这是 1.4 版本之后引入的，签名的方法都只能作用于特定的类型，引入这个方法之后就可以用于任意类型了。

sync/atomic标准库包也提供了一个Value类型，以它为基的指针类型*Value拥有四个方法（见下，其中后两个是从Go 1.17开始才支持的）。Value值用来原子读取和修改任何类型的Go值。

func (*Value) Load() (x interface{})
func (*Value) Store(x interface{})
func (*Value) Swap(new interface{}) (old interface{})
func (*Value) CompareAndSwap(old, new interface{}) (swapped bool)

CAS

在 sync/atomic 包中的源码除了 Value 之外其他的函数都是没有直接的源码的，需要去 runtime/internal/atomic 中找寻，这里为 CAS 函数为例，其他的都是大同小异

// bool Cas(int32 *val, int32 old, int32 new)
// Atomically:
//	if(*val == old){
//		*val = new;
//		return 1;
//	} else
//		return 0;
TEXT runtime internal atomic·Cas(SB),NOSPLIT,$0-17
	MOVQ	ptr+0(FP), BX
	MOVL	old+8(FP), AX
	MOVL	new+12(FP), CX
	LOCK
	CMPXCHGL	CX, 0(BX)
	SETEQ	ret+16(FP)
	RET

在注释部分写的非常清楚，这个函数主要就是先比较一下当前传入的地址的值是否和 old 值相等，如果相等，就赋值新值返回 true，如果不相等就返回 false

我们看这个具体汇编代码就可以发现，使用了LOCK 来保证操作的原子性，CMPXCHG 指令其实就是 CPU 实现的 CAS 操作。

示例对比

//Go语言在设计上对同步（Synchronization，数据同步和线程同步）提供大量的支持，比如 goroutine和channel同步原语，库层面有
//
//
//- sync：提供基本的同步原语（比如Mutex、RWMutex、Locker）和 工具类（Once、WaitGroup、Cond、Pool、Map）
//- sync/atomic：提供变量的原子操作（基于硬件指令 compare-and-swap）
package main

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

var (
	x  int64
	mx sync.Mutex
	wg sync.WaitGroup
)

// 普通函数， 并发不安全
func Add() {
	x++
	wg.Done()
}

// 互斥锁, 并发安全，性能低于原子操作
func MxAdd() {
	mx.Lock()
	x++
	mx.Unlock()
	wg.Done()
}

// 原子操作，并发安全，性能高于互斥锁，只针对go中的一些基本数据类型使用
func AmAdd() {
	atomic.AddInt64(&x, 1)
	wg.Done()
}

func main() {
	// 原子操作atomic包
	// 加锁操作涉及到内核态的上下文切换， 比较耗时，代价高
	// 针对基本数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全
	// 因为原子操作是go语言提供的方法，我们在用户态就可以完成，因此性能比加锁操作更好
	// go语言的原子操作由内置的库,sync/atomic完成

	start := time.Now()
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		wg.Add(1)
		go Add() // 普通版Add函数不是并发安全的
		//go MxAdd() // 加锁版Add函数，是并发安全的, 但是加锁性能开销大
		//go AmAdd() // 原子操作版Add函数，是并发安全的，性能优于加锁版
	}

	end := time.Now()
	wg.Wait()
	fmt.Println(x)
	fmt.Println(end.Sub(start))

}

//Go语言在设计上对同步（Synchronization，数据同步和线程同步）提供大量的支持，比如 goroutine和channel同步原语，库层面有
//
//
//- sync：提供基本的同步原语（比如Mutex、RWMutex、Locker）和 工具类（Once、WaitGroup、Cond、Pool、Map）
//- sync/atomic：提供变量的原子操作（基于硬件指令 compare-and-swap）
package main

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

var (
	x  int64
	mx sync.Mutex
	wg sync.WaitGroup
)

// 普通函数， 并发不安全
func Add() {
	x++
	wg.Done()
}

// 互斥锁, 并发安全，性能低于原子操作
func MxAdd() {
	mx.Lock()
	x++
	mx.Unlock()
	wg.Done()
}

// 原子操作，并发安全，性能高于互斥锁，只针对go中的一些基本数据类型使用
func AmAdd() {
	atomic.AddInt64(&x, 1)
	wg.Done()
}

func main() {
	// 原子操作atomic包
	// 加锁操作涉及到内核态的上下文切换， 比较耗时，代价高
	// 针对基本数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全
	// 因为原子操作是go语言提供的方法，我们在用户态就可以完成，因此性能比加锁操作更好
	// go语言的原子操作由内置的库,sync/atomic完成

	start := time.Now()
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		wg.Add(1)
		// go Add()  // 普通版Add函数不是并发安全的
		go MxAdd() // 加锁版Add函数，是并发安全的, 但是加锁性能开销大
		//go AmAdd() // 原子操作版Add函数，是并发安全的，性能优于加锁版
	}

	end := time.Now()
	wg.Wait()
	fmt.Println(x)
	fmt.Println(end.Sub(start))

}

//Go语言在设计上对同步（Synchronization，数据同步和线程同步）提供大量的支持，比如 goroutine和channel同步原语，库层面有
//
//
//- sync：提供基本的同步原语（比如Mutex、RWMutex、Locker）和 工具类（Once、WaitGroup、Cond、Pool、Map）
//- sync/atomic：提供变量的原子操作（基于硬件指令 compare-and-swap）
package main

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

var (
	x  int64
	mx sync.Mutex
	wg sync.WaitGroup
)

// 普通函数， 并发不安全
func Add() {
	x++
	wg.Done()
}

// 互斥锁, 并发安全，性能低于原子操作
func MxAdd() {
	mx.Lock()
	x++
	mx.Unlock()
	wg.Done()
}

// 原子操作，并发安全，性能高于互斥锁，只针对go中的一些基本数据类型使用
func AmAdd() {
	atomic.AddInt64(&x, 1)
	wg.Done()
}

func main() {
	// 原子操作atomic包
	// 加锁操作涉及到内核态的上下文切换， 比较耗时，代价高
	// 针对基本数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全
	// 因为原子操作是go语言提供的方法，我们在用户态就可以完成，因此性能比加锁操作更好
	// go语言的原子操作由内置的库,sync/atomic完成

	start := time.Now()
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		wg.Add(1)
		// go Add()  // 普通版Add函数不是并发安全的
		// go MxAdd() // 加锁版Add函数，是并发安全的, 但是加锁性能开销大
		go AmAdd() // 原子操作版Add函数，是并发安全的，性能优于加锁版
	}

	end := time.Now()
	wg.Wait()
	fmt.Println(x)
	fmt.Println(end.Sub(start))

}

原子操作是比其它同步技术更基础的操作。原子操作是无锁的，常常直接通过CPU指令直接实现。事实上，其它同步技术的实现常常依赖于原子操作。例如上面的的mx.lock

atomic包提供了底层的内存操作，对于同步算法的实现很有用，这些函数必须谨慎的保证正确使用，除了某些特殊的底层应用，使用通道或者sync包的函数/ 类型实现同步更好

atomic 很多时候可能都没有使用上，毕竟 mutex 的拓展性比较好，使用起来也比较友好。但这并不妨碍我们对极致性能的追求，有时候，细节决定了性能！

References

Golang: sync.Once
Synchronization(Computer Science))
SIP-20 - Improved Lazy Vals Initialization
sync/atomic - Go Packages
Golang package sync 剖析(一)： sync.Once
sync/atomic标准库包中提供的原子操作
Go并发编程(五) 深入理解 sync/atomic
Go 语言标准库中 atomic.Value 的前世今生
深入浅出 Go - sync/atomic 源码分析

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页面更新：2024-05-12

标签：原子变量指令函数加锁性能类型语言操作方法

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Golang package atomic库

Add

CompareAndSwap

Load

Store

Swap

CAS

示例对比

References

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