Go语言学习笔记—golang并发编程之原子操作
文章目录
- 一 原子变量的引入
- 二 原子操作详解
-
- 2.1 增减
- 2.2 比较并交换
- 2.3 载入
- 2.4 交换
- 2.5 存储
一 原子变量的引入
先看一个实例：
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var i = 100
func add() {
i++
}
func sub() {
i--
}
func main() {
for i := 0; i < 100; i++ {
go add()
go sub()
}
time.Sleep(time.Second * 3)
fmt.Printf("i: %v\n", i)
}
运行结果：
i: 99
由于资源竞争的原因，当某一个goroutine在访问某个数据资源的时候，按照数值，已经判断好了条件，然后又被其他的goroutine抢占了资源，并修改了数值，等这个goroutine再继续访问这个数据的时候，数值已经不对了。
此时可以使用锁实现协程的同步:
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var i = 100
var lock sync.Mutex
func add() {
lock.Lock()
i++
lock.Unlock()
}
func sub() {
lock.Lock()
i--
lock.Unlock()
}
func main() {
for i := 0; i < 100; i++ {
go add()
go sub()
}
time.Sleep(time.Second * 3)
fmt.Printf("i: %v\n", i)
}
运行结果：
i: 100
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提供的原子操作能够确保任一时刻只有一个goroutine对变量进行操作，善用atomic能够避免程序中出现大量的锁操作。
下面使用原子操作:
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
"time"
)
var i int32 = 100
func add() {
atomic.AddInt32(&i, 1)
}
func sub() {
atomic.AddInt32(&i, -1)
}
func main() {
for i := 0; i < 100; i++ {
go add()
go sub()
}
time.Sleep(time.Second * 3)
fmt.Printf("i: %v\n", i)
}
运行结果：
i: 100
二 原子操作详解
常见操作：
- 增减Add
- 载入Load
- 比较并交换CompareAndSwap
- 交换Swap
- 存储Store
注意：atomic 操作的对象是一个地址，你需要把可寻址的变量的地址作为参数传递给方法，而不是把变量的值传递给方法
2.1 增减
atomic包中提供了如下以Add为前缀的增减操作：
- func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)
- func AddInt64(addr *int64, delta int64) (new int64)
- func AddUint32(addr *unit32, delta uint32) (new uint32)
- func AddUint64(addr *uint64, delta uint64) (new uint64)
- func AddUintptr(addr *uintptr, delta uintptr) (new uintptr)
- 被操作的类型只能是数值类型
- int32,int64,uint32,uint64,uintptr类型可以使用原子增或减操作
- 第一个参数值必须是一个指针类型的值，以便施加特殊的CPU指令
- 第二个参数值的类型和第一个被操作值的类型总是相同的。
在第一节最后已实例演示，此处不再赘述。
2.2 比较并交换
该操作简称CAS（Compare And Swap）。这类操作的前缀为CompareAndSwap：
- 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)
该操作在进行交换前首先确保变量的值未被更改，即仍然保持参数old所记录的值，满足此前提下才进行交换操作。CAS的做法类似操作数据库时常见的乐观锁机制
-
调用函数后，会先判断参数addr指向的被操作值与参数old的值是否相等
-
仅当此判断得到肯定的结果之后，才会用参数new代表的新值替换掉原先的旧值，否则操作就会被忽略
-
需要用for循环不断进行尝试,直到成功为止
实例演示：
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
)
var value int32
//不断地尝试原子地更新value的值,直到操作成功为止
func addValue(delta int32) {
//在被操作值被频繁变更的情况下,CAS操作并不那么容易成功
//因此不得不利用for循环以进行多次尝试
for {
v := value
if atomic.CompareAndSwapInt32(&value, v, (v + delta)) {
//在函数的结果值为true时,退出循环
break
}
//操作失败的缘由总会是value的旧值已不与v的值相等了.
//CAS操作虽然不会让某个Goroutine阻塞在某条语句上,但是仍可能会使流产的执行暂时停一下,不过时间大都极其短暂.
}
}
func main() {
fmt.Println("----------old value----------")
fmt.Println(value)
fmt.Println("----------CAS value----------")
addValue(3)
fmt.Println(value)
}
运行结果：
[Running] go run "c:\Users\Mechrevo\Desktop\go_pro\test.go"
----------old value----------
0
----------CAS value----------
3
[Done] exited with code=0 in 1.234 seconds
2.3 载入
atomic包中提供了如下以Load为前缀的载入操作：
- 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)
载入操作能够保证原子的读变量的值，当读取的时候，任何其他CPU操作都无法对该变量进行读写，其实现机制受到底层硬件的支持。
在2.2中实例中 v:= value为变量v赋值，但… 要注意，在进行读取value的操作的过程中,其他对此值的读写操作是可以被同时进行的,那么这个读操作很可能会读取到一个只被修改了一半的数据。因此我们要使用sync/atomic代码包同样为我们提供了一系列的函数，以Load为前缀(载入)，来确保这样的糟糕事情发生。
实例演示：
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
)
var value int32
func addValue(delta int32) {
for {
//v := value
//在进行读取value的操作的过程中,其他对此值的读写操作是可以被同时进行的,那么这个读操作很可能会读取到一个只被修改了一半的数据.
//因此我们要使用载入
v := atomic.LoadInt32(&value)
if atomic.CompareAndSwapInt32(&value, v, (v + delta)) {
break
}
}
}
func main() {
fmt.Println("----------old value----------")
fmt.Println(value)
fmt.Println("----------CAS value----------")
addValue(3)
fmt.Println(value)
}
运行结果：
[Running] go run "c:\Users\Mechrevo\Desktop\go_pro\tempCodeRunnerFile.go"
----------old value----------
0
----------CAS value----------
3
[Done] exited with code=0 in 1.309 seconds
2.4 交换
此类操作的前缀为Swap：
- 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)
- 与CAS操作不同，原子交换操作不会关心被操作的旧值。
- 它会直接设置新值
- 它会返回被操作值的旧值
- 此类操作比CAS操作的约束更少，同时又比原子载入操作的功能更强
实例演示：
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
)
func main() {
var j int32 = 1
var k int32 = 2
j_old := atomic.SwapInt32(&j, k)
fmt.Println("old,new:", j_old, j)
}
运行结果：
[Running] go run "c:\Users\Mechrevo\Desktop\go_pro\test.go"
old,new: 1 2
[Done] exited with code=0 in 1.187 seconds
2.5 存储
此类操作的前缀为Store：
- func StoreInt32(addr *int32, val int32)
- func StoreInt64(addr *int64, val int64)
- func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafae.Pointer)
- func StoreUint32(addr *uint32, val uint32)
- func StoreUint64(addr *uint64, val uint64)
- func StoreUintptr(addr *uintptr, val uintptr)
此类操作确保了写变量的原子性，避免其他操作读到了修改变量过程中的脏数据。
- 在原子地存储某个值的过程中，任何CPU都不会进行针对同一个值的读或写操作。
- 原子的值存储操作总会成功，因为它并不会关心被操作值的旧值是什么
- 和CAS操作有着明显的区别
实例演示：
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
)
var value int32
func main() {
fmt.Println("----------Store value----------")
atomic.StoreInt32(&value, 10)
fmt.Println(value)
}
运行结果：
[Running] go run "c:\Users\Mechrevo\Desktop\go_pro\test.go"
----------Store value----------
10
[Done] exited with code=0 in 1.481 seconds