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sync/atomic - 原子操作

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)

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