sync/atomic - 原子操作

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2023-12-01

对于并发操作而言，原子操作是个非常现实的问题。典型的就是i的问题。当两个CPU同时对内存中的i进行读取，然后把加一之后的值放入内存中，可能两次i的结果，这个i只增加了一次。如何保证多CPU对同一块内存的操作是原子的。 golang中sync/atomic就是做这个使用的。

具体的原子操作在不同的操作系统中实现是不同的。比如在Intel的CPU架构机器上，主要是使用总线锁的方式实现的。大致的意思就是当一个CPU需要操作一个内存块的时候，向总线发送一个LOCK信号，所有CPU收到这个信号后就不对这个内存块进行操作了。等待操作的CPU执行完操作后，发送UNLOCK信号，才结束。在AMD的CPU架构机器上就是使用MESI一致性协议的方式来保证原子操作。所以我们在看atomic源码的时候，我们看到它针对不同的操作系统有不同汇编语言文件。

如果我们善用原子操作，它会比锁更为高效。

CAS

原子操作中最经典的CAS(compare-and-swap)在atomic包中是Compare开头的函数。

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)

CAS的意思是判断内存中的某个值是否等于old值，如果是的话，则赋new值给这块内存。CAS是一个方法，并不局限在CPU原子操作中。 CAS比互斥锁乐观，但是也就代表CAS是有赋值不成功的时候，调用CAS的那一方就需要处理赋值不成功的后续行为了。

这一系列的函数需要比较后再进行交换，也有不需要进行比较就进行交换的原子操作。

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)

增加或减少

对一个数值进行增加或者减少的行为也需要保证是原子的，它对应于atomic包的函数就是

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)

读取或写入

当我们要读取一个变量的时候，很有可能这个变量正在被写入，这个时候，我们就很有可能读取到写到一半的数据。所以读取操作是需要一个原子行为的。在atomic包中就是Load开头的函数群。

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)

好了，读取我们是完成了原子性，那写入呢？也是同样的，如果有多个CPU往内存中一个数据块写入数据的时候，可能导致这个写入的数据不完整。在atomic包对应的是Store开头的函数群。

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)