在我們前面的一些介紹 sync 包相關(guān)的文章中，我們應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了，其中有不少地方使用了原子操作。 比如 sync.WaitGroup、sync.Map 再到 sync.Pool，這些結(jié)構(gòu)體的實現(xiàn)中都有原子操作的身影。 原子操作在并發(fā)編程中是一種非常重要的操作，它可以保證并發(fā)安全，而且效率也很高。 本文將會深入探討一下 go 中原子操作的原理、使用場景、用法等內(nèi)容。

什么是原子操作？

原子操作是變量級別的互斥鎖。

如果讓我用一句話來說明什么是原子操作，那就是：原子操作是變量級別的互斥鎖。 簡單來說，就是同一時刻，只能有一個 CPU 對變量進行讀或?qū)憽?當(dāng)我們想要對某個變量做并發(fā)安全的修改，除了使用官方提供的 Mutex，還可以使用 sync/atomic 包的原子操作， 它能夠保證對變量的讀取或修改期間不被其他的協(xié)程所影響。

我們可以用下圖來表示：

說明：在上圖中，我們有三個 CPU 邏輯核，其中 CPU 1 正在對變量 v 做原子操作，這個時候 CPU 2 和 CPU 3 不能對 v 做任何操作， 在 CPU 1 操作完成后，CPU 2 和 CPU 3 可以獲取到 v 的最新值。

從這個角度看，我們可以把 sync/atomic 包中的原子操作看成是變量級別的互斥鎖。 就是說，在 go 中，當(dāng)一個協(xié)程對變量做原子操作時，其他協(xié)程不能對這個變量做任何操作，直到這個協(xié)程操作完成。

原子操作的使用場景是什么？

拿一個簡單的例子來說明一下原子操作的使用場景：

func TestAtomic(t *testing.T) {
	var sum = 0
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1000)
	// 啟動 1000 個協(xié)程，每個協(xié)程對 sum 做加法操作
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		go func() {
			defer wg.Done()
			sum++
		}()
	}
	// 等待所有的協(xié)程都執(zhí)行完畢
	wg.Wait()
	fmt.Println(sum) // 這里輸出多少呢？
}

我們可以在自己的電腦上運行一下這段代碼，看看輸出的結(jié)果是多少。 不出意外的話，應(yīng)該每次可能都不一樣，而且應(yīng)該也不是 1000，這是為什么呢？

這是因為，CPU 在對 sum 做加法的時候，需要先將 sum 目前的值讀取到 CPU 的寄存器中，然后再進行加法操作，最后再寫回到內(nèi)存中。 如果有兩個 CPU 同時取了 sum 的值，然后都進行了加法操作，然后都再寫回到內(nèi)存中，那么就會導(dǎo)致 sum 的值被覆蓋，從而導(dǎo)致結(jié)果不正確。

舉個例子，目前內(nèi)存中的 sum 為 1，然后兩個 CPU 同時取了這個 1 來做加法，然后都得到了結(jié)果 2， 然后這兩個 CPU 將各自的計算結(jié)果寫回到內(nèi)存中，那么內(nèi)存中的 sum 就變成了 2，而不是 3。

在這種場景下，我們可以使用原子操作來實現(xiàn)并發(fā)安全的加法操作：

func TestAtomic1(t *testing.T) {
	// 將 sum 的類型改成 int32，因為原子操作只能針對 int32、int64、uint32、uint64、uintptr 這幾種類型
	var sum int32 = 0
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1000)
    // 啟動 1000 個協(xié)程，每個協(xié)程對 sum 做加法操作
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		go func() {
			defer wg.Done()
			// 將 sum++ 改成下面這樣
			atomic.AddInt32(&sum, 1)
		}()
	}
	wg.Wait()
	fmt.Println(sum) // 輸出 1000
}

在上面這個例子中，我們每次執(zhí)行都能得到 1000 這個結(jié)果。

因為使用原子操作的時候，同一時刻只能有一個 CPU 對變量進行讀或?qū)?，所以就不會出現(xiàn)上面的問題了。

所以很多需要對變量做并發(fā)讀寫的地方，我們都可以考慮一下，是否可以使用原子操作來實現(xiàn)并發(fā)安全的操作（而不是使用互斥鎖，互斥鎖效率相比原子操作要低一些）。

原子操作的使用場景也是和互斥鎖類似的，但是不一樣的是，我們的鎖粒度只是一個變量而已。也就是說，當(dāng)我們不允許多個 CPU 同時對變量進行讀寫的時候（保證變量同一時刻只能一個 CPU 操作），就可以使用原子操作。

原子操作是怎么實現(xiàn)的？

看完上面原子操作的介紹，有沒有覺得原子操作很神奇，居然有這么好用的東西。那它到底是怎么實現(xiàn)的呢？

一般情況下，原子操作的實現(xiàn)需要特殊的 CPU 指令或者系統(tǒng)調(diào)用。 這些指令或者系統(tǒng)調(diào)用可以保證在執(zhí)行期間不會被其他操作或事件中斷，從而保證操作的原子性。

例如，在 x86 架構(gòu)的 CPU 中，可以使用 LOCK 前綴來實現(xiàn)原子操作。 LOCK 前綴可以與其他指令一起使用，用于鎖定內(nèi)存總線，防止其他 CPU 訪問同一內(nèi)存地址，從而實現(xiàn)原子操作。 在使用 LOCK 前綴的指令執(zhí)行期間，CPU 會將當(dāng)前處理器緩存中的數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存中，并鎖定該內(nèi)存地址， 防止其他 CPU 修改該地址的數(shù)據(jù)（所以原子操作總是可以讀取到最新的數(shù)據(jù)）。 一旦當(dāng)前 CPU 對該地址的操作完成，CPU 會釋放該內(nèi)存地址的鎖定，其他 CPU 才能繼續(xù)對該地址進行訪問。

x86 LOCK 的時候發(fā)生了什么

我們再來捋一下上面的內(nèi)容，看看 LOCK 前綴是如何實現(xiàn)原子操作的：

• CPU 會將當(dāng)前處理器緩存中的數(shù)據(jù)寫回到內(nèi)存中。（因此我們總能讀取到最新的數(shù)據(jù)）
• 然后鎖定該內(nèi)存地址，防止其他 CPU 修改該地址的數(shù)據(jù)。
• 一旦當(dāng)前 CPU 對該地址的操作完成，CPU 會釋放該內(nèi)存地址的鎖定，其他 CPU 才能繼續(xù)對該地址進行訪問。

其他架構(gòu)的 CPU 可能會略有不同，但是原理是一樣的。

原子操作有什么特征？

• 不會被中斷：原子操作是一個不可分割的操作，要么全部執(zhí)行，要么全部不執(zhí)行，不會出現(xiàn)中間狀態(tài)。這是保證原子性的基本前提。同時，原子操作過程中不會有上下文切換的過程。
• 操作對象是共享變量：原子操作通常是對共享變量進行的，也就是說，多個協(xié)程可以同時訪問這個變量，因此需要采用原子操作來保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性。
• 并發(fā)安全：原子操作是并發(fā)安全的，可以保證多個協(xié)程同時進行操作時不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)競爭問題（雖然說是同時，但是實際上在操作那個變量的時候是互斥的）。
• 無需加鎖：原子操作不需要使用互斥鎖來保證數(shù)據(jù)的一致性和正確性，因此可以避免互斥鎖的使用帶來的性能損失。
• 適用場景比較局限：原子操作適用于操作單個變量，如果需要同時并發(fā)讀寫多個變量，可能需要考慮使用互斥鎖。

go 里面有哪些原子操作？

在 go 中，主要有以下幾種原子操作：Add、CompareAndSwap、Load、Store、Swap。

增減（Add）

• 用于進行增加或減少的原子操作，函數(shù)名以 Add 為前綴，后綴針對特定類型的名稱。
• 原子增被操作的類型只能是數(shù)值類型，即 int32、int64、uint32、uint64、uintptr
• 原子增減函數(shù)的第一個參數(shù)為原值，第二個參數(shù)是要增減多少。
• 方法：

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)

int32 和 int64 的第二個參數(shù)可以是負(fù)數(shù)，這樣就可以做原子減法了。

比較并交換（CompareAndSwap）

也就是我們常見的 CAS，在 CAS 操作中，會需要拿舊的值跟 old 比較，如果相等，就將 new 賦值給 addr。 如果不相等，則不做任何操作。最后返回一個 bool 值，表示是否成功 swap。

也就是說，這個操作可能是不成功的。這很正常，在并發(fā)環(huán)境下，多個協(xié)程對同一個變量進行操作，肯定會存在競爭的情況。 在這種情況下，偶爾的失敗是正常的，我們只需要在失敗的時候，重新嘗試即可。 因為原子操作需要的時間往往是比較短的，因此在失敗的時候，我們可以通過自旋的方式來再次進行嘗試。

在這種情況下，如果不自旋，那就需要將這個協(xié)程掛起，等待其他協(xié)程完成操作，然后再次嘗試。這個過程相比自旋可能會更加耗時。 因為很有可能這次原子操作不成功，下一次就成功了。如果我們每次都將協(xié)程掛起，那么效率就會大大降低。

for + 原子操作的方式，在 go 的 sync 包中很多地方都有使用，比如 sync.Map，sync.Pool 等。 這也是使用原子操作時一個非常常見的使用模式。

CompareAndSwap 的功能：

• 用于比較并交換的原子操作，函數(shù)名以 CompareAndSwap 為前綴，后綴針對特定類型的名稱。
• 原子比較并交換被操作的類型可以是數(shù)值類型或指針類型，即 int32、int64、uint32、uint64、uintptr、unsafe.Pointer
• 原子比較并交換函數(shù)的第一個參數(shù)為原值指針，第二個參數(shù)是要比較的值，第三個參數(shù)是要交換的值。
• 方法：

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)

載入（Load）

原子性的讀取操作接受一個對應(yīng)類型的指針值，返回該指針指向的值。原子性讀取意味著讀取值的同時，當(dāng)前計算機的任何 CPU 都不會進行針對值的讀寫操作。

如果不使用原子 Load，當(dāng)使用 v := value 這種賦值方式為變量 v 賦值時，讀取到的 value 可能不是最新的，因為在讀取操作時其他協(xié)程對它的讀寫操作可能會同時發(fā)生。

Load 操作有下面這些：

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)

存儲（Store）

Store 可以將 val 值保存到 *addr 中，Store 操作是原子性的，因此在執(zhí)行 Store 操作時，當(dāng)前計算機的任何 CPU 都不會進行針對 *addr 的讀寫操作。

• 原子性存儲會將 val 值保存到 *addr 中。
• 與讀操作對應(yīng)的寫入操作，sync/atomic 提供了與原子值載入 Load 函數(shù)相對應(yīng)的原子值存儲 Store 函數(shù)，原子性存儲函數(shù)均以 Store 為前綴。

Store 操作有下面這些：

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 *uintpre, val uintptr)
func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer)

交換（Swap）

Swap 跟 Store 有點類似，但是它會返回 *addr 的舊值。

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)

原子操作任意類型的值 - atomic.Value

從上一節(jié)中，我們知道了在 go 中原子操作可以操作 int32、int64、uint32、uint64、uintptr、unsafe.Pointer 這些類型的值。 但是在實際開發(fā)中，我們的類型還有很多，比如 string、struct 等等，那這些類型的值如何進行原子操作呢？答案是使用 atomic.Value。

atomic.Value 是一個結(jié)構(gòu)體，它的內(nèi)部有一個 any 類型的字段，存儲了我們要原子操作的值，也就是一個任意類型的值。

atomic.Value 支持以下操作：

• Load：原子性的讀取 Value 中的值。
• Store：原子性的存儲一個值到 Value 中。
• Swap：原子性的交換 Value 中的值，返回舊值。
• CompareAndSwap：原子性的比較并交換 Value 中的值，如果舊值和 old 相等，則將 new 存入 Value 中，返回 true，否則返回 false。

atomic.Value 的這些操作跟上面講到的那些操作其實差不多，只不過 atomic.Value 可以操作任意類型的值。 那 atomic.Value 是如何實現(xiàn)的呢？

atomic.Value 源碼分析

atomic.Value 是一個結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體只有一個字段：

// Value 提供一致類型值的原子加載和存儲。
type Value struct {
	v any
}

Load - 讀取

Load 返回由最近的 Store 設(shè)置的值。如果還沒有 Store 過任何值，則返回 nil。

// Load 返回由最近的 Store 設(shè)置的值。
func (v *Value) Load() (val any) {
	// atomic.Value 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	vp := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(v))
	// 判斷 atomic.Value 的類型
	typ := LoadPointer(&vp.typ)
	// 第一次 Store 還沒有完成，直接返回 nil
	if typ == nil || typ == unsafe.Pointer(&firstStoreInProgress) {
		// firstStoreInProgress 是一個特殊的變量，存儲到 typ 中用來表示第一次 Store 還沒有完成
		return nil
	}
	// 獲取 atomic.Value 的值
	data := LoadPointer(&vp.data)
	// 將 val 轉(zhuǎn)換為 efaceWords 類型
	vlp := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(&val))
	// 分別賦值給 val 的 typ 和 data
	vlp.typ = typ
	vlp.data = data
	return
}

在 atomic.Value 的源碼中，我們都可以看到 efaceWords 的身影，它實際上代表的是 interface{}/any 類型：

// 表示一個 interface{}/any 類型
type efaceWords struct {
	typ  unsafe.Pointer
	data unsafe.Pointer
}

看到這里我們會不會覺得很困惑，直接返回 val 不就可以了嗎？為什么要將 val 轉(zhuǎn)換為 efaceWords 類型呢？

這是因為 go 中的原子操作只能操作 int32、int64、uint32、uint64、uintptr、unsafe.Pointer 這些類型的值， 不支持 interface{} 類型，但是如果了解 interface{} 底層結(jié)構(gòu)的話，我們就知道 interface{} 底層其實就是一個結(jié)構(gòu)體， 它有兩個字段，一個是 type，一個是 data，type 用來存儲 interface{} 的類型，data 用來存儲 interface{} 的值。 而且這兩個字段都是 unsafe.Pointer 類型的，所以其實我們可以對 interface{} 的 type 和 data 分別進行原子操作， 這樣最終其實也可以達(dá)到了原子操作 interface{} 的目的了，是不是非常地巧妙呢？

Store - 存儲

Store 將 Value 的值設(shè)置為 val。對給定值的所有存儲調(diào)用必須使用相同具體類型的值。不一致類型的存儲會發(fā)生恐慌，Store(nil) 也會 panic。

// Store 將 Value 的值設(shè)置為 val。
func (v *Value) Store(val any) {
	// 不能存儲 nil 值
	if val == nil {
		panic("sync/atomic: store of nil value into Value")
	}
	// atomic.Value 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	vp := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(v))
	// val 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	vlp := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(&val))
	// 自旋進行原子操作，這個過程不會很久，開銷相比互斥鎖小
	for {
		// LoadPointer 可以保證獲取到的是最新的
		typ := LoadPointer(&vp.typ)
		// 第一次 store 的時候 typ 還是 nil，說明是第一次 store
		if typ == nil {
			// 嘗試開始第一次 Store。
			// 禁用搶占，以便其他 goroutines 可以自旋等待完成。
			// （如果允許搶占，那么其他 goroutine 自旋等待的時間可能會比較長，因為可能會需要進行協(xié)程調(diào)度。）
			runtime_procPin()
			// 搶占失敗，意味著有其他 goroutine 成功 store 了，允許搶占，再次嘗試 Store
			// 這也是一個原子操作。
			if !CompareAndSwapPointer(&vp.typ, nil, unsafe.Pointer(&firstStoreInProgress)) {
				runtime_procUnpin()
				continue
			}
			// 完成第一次 store
			// 因為有 firstStoreInProgress 標(biāo)識的保護，所以下面的兩個原子操作是安全的。
			StorePointer(&vp.data, vlp.data) // 存儲值（原子操作）
			StorePointer(&vp.typ, vlp.typ)   // 存儲類型（原子操作）
			runtime_procUnpin()              // 允許搶占
			return
		}
		// 另外一個 goroutine 正在進行第一次 Store。自旋等待。
		if typ == unsafe.Pointer(&firstStoreInProgress) {
			continue
		}
		// 第一次 Store 已經(jīng)完成了，下面不是第一次 Store 了。
		// 需要檢查當(dāng)前 Store 的類型跟第一次 Store 的類型是否一致，不一致就 panic。
		if typ != vlp.typ {
			panic("sync/atomic: store of inconsistently typed value into Value")
		}
		// 后續(xù)的 Store 只需要 Store 值部分就可以了。
		// 因為 atomic.Value 只能保存一種類型的值。
		StorePointer(&vp.data, vlp.data)
		return
	}
}

在 Store 中，有以下幾個注意的點：

• 使用 firstStoreInProgress 來確保第一次 Store 的時候，只有一個 goroutine 可以進行 Store 操作，其他的 goroutine 需要自旋等待。如果沒有這個保護，那么存儲 typ 和 data 的時候就會出現(xiàn)競爭（因為需要兩個原子操作），導(dǎo)致數(shù)據(jù)不一致。在這里其實可以將 firstStoreInProgress 看作是一個互斥鎖。
• 在進行第一次 Store 的時候，會將當(dāng)前的 goroutine 和 P 綁定，這樣拿到 firstStoreInProgress 鎖的協(xié)程就可以盡快地完成第一次 Store 操作，這樣一來，其他的協(xié)程也不用等待太久。
• 在第一次 Store 的時候，會有兩個原子操作，分別存儲類型和值，但是因為有 firstStoreInProgress 的保護，所以這兩個原子操作本質(zhì)上是對 interface{} 的一個原子存儲操作。
• 其他協(xié)程在看到有 firstStoreInProgress 標(biāo)識的時候，就會自旋等待，直到第一次 Store 完成。
• 在后續(xù)的 Store 操作中，只需要存儲值就可以了，因為 atomic.Value 只能保存一種類型的值。

Swap - 交換

Swap 將 Value 的值設(shè)置為 new 并返回舊值。對給定值的所有交換調(diào)用必須使用相同具體類型的值。同時，不一致類型的交換會發(fā)生恐慌，Swap(nil) 也會 panic。

// Swap 將 Value 的值設(shè)置為 new 并返回舊值。
func (v *Value) Swap(new any) (old any) {
	// 不能存儲 nil 值
	if new == nil {
		panic("sync/atomic: swap of nil value into Value")
	}
	// atomic.Value 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	vp := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(v))
	// new 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	np := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(&new))
	// 自旋進行原子操作，這個過程不會很久，開銷相比互斥鎖小
	for {
		// 下面這部分代碼跟 Store 一樣，不細(xì)說了。
		// 這部分代碼是進行第一次存儲的代碼。
		typ := LoadPointer(&vp.typ)
		if typ == nil {
			runtime_procPin()
			if !CompareAndSwapPointer(&vp.typ, nil, unsafe.Pointer(&firstStoreInProgress)) {
				runtime_procUnpin()
				continue
			}
			StorePointer(&vp.data, np.data)
			StorePointer(&vp.typ, np.typ)
			runtime_procUnpin()
			return nil
		}
		if typ == unsafe.Pointer(&firstStoreInProgress) {
			continue
		}
		if typ != np.typ {
			panic("sync/atomic: swap of inconsistently typed value into Value")
		}
		// ---- 下面是 Swap 的特有邏輯 ----
		// op 是返回值
		op := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(&old))
		// 返回舊的值
		op.typ, op.data = np.typ, SwapPointer(&vp.data, np.data)
		return old
	}
}

CompareAndSwap - 比較并交換

CompareAndSwap 將 Value 的值與 old 比較，如果相等則設(shè)置為 new 并返回 true，否則返回 false。 對給定值的所有比較和交換調(diào)用必須使用相同具體類型的值。同時，不一致類型的比較和交換會發(fā)生恐慌，CompareAndSwap(nil, nil) 也會 panic。

// CompareAndSwap 比較并交換。
func (v *Value) CompareAndSwap(old, new any) (swapped bool) {
	// 注意：old 是可以為 nil 的，new 不能為 nil。
	// old 是 nil 表示是第一次進行 Store 操作。
	if new == nil {
		panic("sync/atomic: compare and swap of nil value into Value")
	}
	// atomic.Value 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	vp := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(v))
	// new 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	np := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(&new))
	// old 轉(zhuǎn)換為 efaceWords
	op := (*efaceWords)(unsafe.Pointer(&old))
	// old 和 new 類型必須一致，且不能為 nil
	if op.typ != nil && np.typ != op.typ {
		panic("sync/atomic: compare and swap of inconsistently typed values")
	}
	// 自旋進行原子操作，這個過程不會很久，開銷相比互斥鎖小
	for {
		// LoadPointer 可以保證獲取到的 typ 是最新的
		typ := LoadPointer(&vp.typ)
		if typ == nil { // atomic.Value 是 nil，還沒 Store 過
			// 準(zhǔn)備進行第一次 Store，但是傳遞進來的 old 不是 nil，compare 這一步就失敗了。直接返回 false
			if old != nil {
				return false
			}
			// 下面這部分代碼跟 Store 一樣，不細(xì)說了。 
			// 這部分代碼是進行第一次存儲的代碼。
			runtime_procPin()
			if !CompareAndSwapPointer(&vp.typ, nil, unsafe.Pointer(&firstStoreInProgress)) {
				runtime_procUnpin()
				continue
			}
			StorePointer(&vp.data, np.data)
			StorePointer(&vp.typ, np.typ)
			runtime_procUnpin()
			return true
		}
		if typ == unsafe.Pointer(&firstStoreInProgress) {
			continue
		}
		if typ != np.typ {
			panic("sync/atomic: compare and swap of inconsistently typed value into Value")
		}
		// 通過運行時相等性檢查比較舊版本和當(dāng)前版本。
		// 這允許對值類型進行比較，這是包函數(shù)所沒有的。
		// 下面的 CompareAndSwapPointer 僅確保 vp.data 自 LoadPointer 以來沒有更改。
		data := LoadPointer(&vp.data)
		var i any
		(*efaceWords)(unsafe.Pointer(&i)).typ = typ
		(*efaceWords)(unsafe.Pointer(&i)).data = data
		if i != old { // atomic.Value 跟 old 不相等
			return false
		}
		// 只做 val 部分的 cas 操作
		return CompareAndSwapPointer(&vp.data, data, np.data)
	}
}

這里需要特別說明的只有最后那個比較相等的判斷，也就是 data := LoadPointer(&vp.data) 以及往后的幾行代碼。 在開發(fā) atomic.Value 第一版的時候，那個開發(fā)者其實是將這幾行寫成 CompareAndSwapPointer(&vp.data, old.data, np.data) 這種形式的。 但是在舊的寫法中，會存在一個問題，如果我們做 CAS 操作的時候，如果傳遞的參數(shù) old 是一個結(jié)構(gòu)體的值這種類型，那么這個結(jié)構(gòu)體的值是會被拷貝一份的， 同時再會被轉(zhuǎn)換為 interface{}/any 類型，這個過程中，其實參數(shù)的 old 的 data 部分指針指向的內(nèi)存跟 vp.data 指向的內(nèi)存是不一樣的。 這樣的話，CAS 操作就會失敗，這個時候就會返回 false，但是我們本意是要比較它的值，出現(xiàn)這種結(jié)果顯然不是我們想要的。

將值作為 interface{} 參數(shù)使用的時候，會存在一個將值轉(zhuǎn)換為 interface{} 的過程。具體我們可以看看 interface{} 的實現(xiàn)原理。

所以，在上面的實現(xiàn)中，會將舊值的 typ 和 data 賦值給一個 any 類型的變量， 然后使用 i != old 這種方式進行判斷，這樣就可以實現(xiàn)在比較的時候，比較的是值，而不是由值轉(zhuǎn)換為 interface{} 后的指針。

其他原子類型

我們現(xiàn)在知道了，atomic.Value 可以對任意類型做原子操作。 而對于其他的原子類型，比如 int32、int64、uint32、uint64、uintptr、unsafe.Pointer 等， 其實在 go 中也提供了包裝的類型，讓我們可以以對象的方式來操作這些類型。

對應(yīng)的類型如下：

• atomic.Bool：這個比較特別，但底層實際上是一個 uint32 類型的值。我們對 atomic.Bool 做原子操作的時候，實際上是對 uint32 做原子操作。
• atomic.Int32：int32 類型的包裝類型
• atomic.Int64：int64 類型的包裝類型
• atomic.Uint32：uint32 類型的包裝類型
• atomic.Uint64：uint64 類型的包裝類型
• atomic.Uintptr：uintptr 類型的包裝類型
• atomic.Pointer：unsafe.Pointer 類型的包裝類型

這幾種類型的實現(xiàn)的代碼基本一樣，除了類型不一樣，我們可以看看 atomic.Int32 的實現(xiàn)：

// An Int32 is an atomic int32. The zero value is zero.
type Int32 struct {
	_ noCopy
	v int32
}
// Load atomically loads and returns the value stored in x.
func (x *Int32) Load() int32 { return LoadInt32(&x.v) }
// Store atomically stores val into x.
func (x *Int32) Store(val int32) { StoreInt32(&x.v, val) }
// Swap atomically stores new into x and returns the previous value.
func (x *Int32) Swap(new int32) (old int32) { return SwapInt32(&x.v, new) }
// CompareAndSwap executes the compare-and-swap operation for x.
func (x *Int32) CompareAndSwap(old, new int32) (swapped bool) {
	return CompareAndSwapInt32(&x.v, old, new)
}

可以看到，atomic.Int32 的實現(xiàn)都是基于 atomic 包中 int32 類型相關(guān)的原子操作函數(shù)來實現(xiàn)的。

原子操作與互斥鎖比較

那我們有了互斥鎖，為什么還要有原子操作呢？我們進行比較一下就知道了：

如果我們只需要對某一個變量做并發(fā)讀寫，那么使用原子操作就可以了，因為原子操作的性能比互斥鎖高很多。 但是如果我們需要對多個變量做并發(fā)讀寫，那么就需要用到互斥鎖了，這種場景往往是在一段代碼中對不同變量做讀寫。

性能比較

我們前面這個表格提到了原子操作與互斥鎖性能上有差異，我們寫幾行代碼來進行比較一下：

// 系統(tǒng)信息 cpu: Intel(R) Core(TM) i7-8700 CPU @ 3.20GHz
// 10.13 ns/op
func BenchmarkMutex(b *testing.B) {
   var mu sync.Mutex
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      mu.Lock()
      mu.Unlock()
   }
}
// 5.849 ns/op
func BenchmarkAtomic(b *testing.B) {
   var sum atomic.Uint64
   for i := 0; i < b.N; i++ {
      sum.Add(uint64(1))
   }
}

在對 Mutex 的性能測試中，我只是寫了簡單的 Lock() 和 UnLock() 操作，因為這種比較才算是對 Mutex 本身的測試，而在 Atomic 的性能測試中，對 sum 做原子累加的操作。最終結(jié)果是，使用 Atomic 的操作耗時大概比 Mutex 少了 40% 以上。

在實際開發(fā)中，Mutex 保護的臨界區(qū)內(nèi)往往有更多操作，也就意味著 Mutex 鎖需要耗費更長的時間才能釋放，也就是會需要耗費比上面這個 40% 還要多的時間另外一個協(xié)程才能獲取到 Mutex 鎖。

go 的 sync 包中的原子操作

在文章的開頭，我們就說了，在 go 的 sync.Map 和 sync.Pool 中都有用到了原子操作，本節(jié)就來看一看這些操作。

sync.Map 中的原子操作

在 sync.Map 中使用到了一個 entry 結(jié)構(gòu)體，這個結(jié)構(gòu)體中大部分操作都是原子操作，我們可以看看它下面這兩個方法的定義：

// 刪除 entry
func (e *entry) delete() (value any, ok bool) {
	for {
		p := e.p.Load()
		// 已經(jīng)被刪除了，不需要再刪除
		if p == nil || p == expunged {
			return nil, false
		}
		// 刪除成功
		if e.p.CompareAndSwap(p, nil) {
			return *p, true
		}
	}
}
// 如果條目尚未刪除，trySwap 將交換一個值。
func (e *entry) trySwap(i *any) (*any, bool) {
	for {
		p := e.p.Load()
		// 已經(jīng)被刪除了
		if p == expunged {
			return nil, false
		}
		// swap 成功
		if e.p.CompareAndSwap(p, i) {
			return p, true
		}
	}
}

我們可以看到一個非常典型的特征就是 for + CompareAndSwap 的組合，這個組合在 entry 中出現(xiàn)了很多次。

如果我們也需要對變量做并發(fā)讀寫，也可以嘗試一下這種 for + CompareAndSwap 的組合。

sync.WaitGroup 中的原子操作

在 sync.WaitGroup 中有一個類型為 atomic.Uint64 的 state 字段，這個變量是用來記錄 WaitGroup 的狀態(tài)的。 在實際使用中，它的高 32 位用來記錄 WaitGroup 的計數(shù)器，低 32 位用來記錄 WaitGroup 的 Waiter 的數(shù)量，也就是等待條件變量滿足的協(xié)程數(shù)量。

如果不使用一個變量來記錄這兩個值，那么我們就需要使用兩個變量來記錄，這樣就會導(dǎo)致我們需要對兩個變量做并發(fā)讀寫， 在這種情況下，我們就需要使用互斥鎖來保護這兩個變量，這樣就會導(dǎo)致性能的下降。

而使用一個變量來記錄這兩個值，我們就可以使用原子操作來保護這個變量，這樣就可以保證并發(fā)讀寫的安全性，同時也能得到更好的性能：

// WaitGroup 的 Add 函數(shù)：高 32 位加上 delta
state := wg.state.Add(uint64(delta) << 32)
// WaitGroup 的 Wait 函數(shù)：低 32 位加 1
// 等待者的數(shù)量加 1
wg.state.CompareAndSwap(state, state+1)

CAS 操作有失敗必然有成功

當(dāng)然這里是指指向同一行 CAS 代碼的時候（也就是有競爭的時候），如果是指向不同行 CAS 代碼的時候，那么就不一定了。 比如下面這個例子，我們把前面計算 sum 的例子改一改，改成用 CAS 操作來完成：

func TestCas(t *testing.T) {
	var sum int32 = 0
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1000)
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		go func() {
			defer wg.Done()
			// 這一行是有可能會失敗的
			atomic.CompareAndSwapInt32(&sum, sum, sum+1)
		}()
	}
	wg.Wait()
	fmt.Println(sum) // 不是 1000
}

在這個例子中，我們把 atomic.AddInt32(&sum, 1) 改成了 atomic.CompareAndSwapInt32(&sum, sum, sum+1)， 這樣就會導(dǎo)致有可能會有多個 goroutine 同時執(zhí)行到 atomic.CompareAndSwapInt32(&sum, sum, sum+1) 這一行代碼， 這樣肯定會有不同的 goroutine 同時拿到一個相同的 sum 的舊值，那么在這種情況下，就會導(dǎo)致 CAS 操作失敗。 也就是說，將 sum 替換為 sum + 1 的操作可能會失敗。

失敗意味著什么呢？意味著另外一個協(xié)程序先把 sum 的值加 1 了，這個時候其實我們不應(yīng)該在舊的 sum 上加 1 了， 而是應(yīng)該在最新的 sum 上加上 1，那我們應(yīng)該怎么做呢？我們可以在 CAS 操作失敗的時候，重新獲取 sum 的值， 然后再次嘗試 CAS 操作，直到成功為止：

func TestCas(t *testing.T) {
	var sum int32 = 0
	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(1000)
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		go func() {
			defer wg.Done()
			// cas 失敗的時候，重新獲取 sum 的值進行計算。
			// cas 成功則返回。
			for {
				if atomic.CompareAndSwapInt32(&sum, sum, sum+1) {
					return
				}
			}
		}()
	}
	wg.Wait()
	fmt.Println(sum)
}

總結(jié)

原子操作是并發(fā)編程中非常重要的一個概念，它可以保證并發(fā)讀寫的安全性，同時也能得到更好的性能。

最后，總結(jié)一下本文講到的內(nèi)容：

• 原子操作是更加底層的操作，它保護的是單個變量，而互斥鎖可以保護一個代碼片段，它們的使用場景是不一樣的。
• 原子操作需要通過 CPU 指令來實現(xiàn)，而互斥鎖是在軟件層面實現(xiàn)的。
• go 里面的原子操作有以下這些：
  • Add：原子增減
  • CompareAndSwap：原子比較并交換
  • Load：原子讀取
  • Store：原子寫入
  • Swap：原子交換
• go 里面所有類型都能使用原子操作，只是不同類型的原子操作使用的函數(shù)不太一樣。
• atomic.Value 可以用來原子操作任意類型的變量。
• go 里面有些底層實現(xiàn)也使用了原子操作，比如：
  • sync.WaitGroup：使用原子操作來保證計數(shù)器和等待者數(shù)量的并發(fā)讀寫安全性。
  • sync.Map：entry 結(jié)構(gòu)體中基本所有操作都有原子操作的身影。
• 原子操作有失敗必然有成功（說的是同一行 CAS 操作），如果 CAS 操作失敗了，那么我們可以重新獲取舊值，然后再次嘗試 CAS 操作，直到成功為止。

總的來說，原子操作本身其實沒有太復(fù)雜的邏輯，我們理解了它的原理之后，就可以很容易的使用它了。

作者：eleven26
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