Golang同步：原子操作使用
最后更新于：2022-04-01 11:59:28
> 原子操作即是进行过程中不能被中断的操作。针对某个值的原子操作在被进行的过程中，CPU绝不会再去进行其他的针对该值的操作。
为了实现这样的严谨性，原子操作仅会由一个独立的CPU指令代表和完成。
- GO语言提供的原子操作都是非入侵式的，由标准库sync/atomic中的众多函数代表
- 类型包括int32,int64,uint32,uint64,uintptr,unsafe.Pointer，共六个。
- 这些函数提供的原子操作共有五种：增或减，比较并交换，载入，存储和交换
# int各种类型取值范围
| 类型 | 长度(字节) | 值范围 |
|-----|-----|-----|
| int8 | 1 | -128 ~ 127 |
| uint8(byte) | 1 | 0 ~ 255 |
| int16 | 2 | 32768~32767 |
| uint16 | 2 | 0~65535 |
| int32 | 4 | 2147483648~2147483647 |
| uint32 | 4 | 0~4294967295 |
| int64 | 8 | -9223372036854775808~9223372036854775807 |
| uint64 | 8 | 0~18446744073709551615 |
| int | 平台相关 | 平台相关 |
| uint | 平台相关 | 平台相关 |
| uintptr | 同指针 | 在32位平 下为4字节,64位平 下为8字节 |
# 增或减Add
函数名称都以Add为前缀，并后跟针对的具体类型的名称。
- 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。
### 示例
~~~
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
)
func main(){
var i32 int32
fmt.Println("=====old i32 value=====")
fmt.Println(i32)
//第一个参数值必须是一个指针类型的值,因为该函数需要获得被操作值在内存中的存放位置,以便施加特殊的CPU指令
//结束时会返回原子操作后的新值
newI32 := atomic.AddInt32(&i32,3)
fmt.Println("=====new i32 value=====")
fmt.Println(i32)
fmt.Println(newI32)
var i64 int64
fmt.Println("=====old i64 value=====")
fmt.Println(i64)
newI64 := atomic.AddInt64(&i64,-3)
fmt.Println("=====new i64 value=====")
fmt.Println(i64)
fmt.Println(newI64)
}
~~~
结果：
/usr/local/go/bin/go run /Users/liuxinming/go/src/free/learngo/atomic/add/add.go
=====old i32 value=====
0
=====new i32 value=====
-3
-3
=====old i64 value=====
0
=====new i64 value=====
-3
-3
# 比较并交换CAS
Compare And Swap 简称CAS，在sync/atomic包种，这类原子操作由名称以‘CompareAndSwap’为前缀的若干个函数代表。
- 声明如下
~~~
func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)
~~~
- 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。
-
so, 需要用for循环不断进行尝试,直到成功为止
-
使用锁的做法趋于悲观
- 我们总假设会有并发的操作要修改被操作的值，并使用锁将相关操作放入临界区中加以保护
- 使用CAS操作的做法趋于乐观
- 总是假设被操作值未曾被改变（即与旧值相等），并一旦确认这个假设的真实性就立即进行值替换。
### 示例
~~~
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
)
var value int32
func main() {
fmt.Println("======old value=======")
fmt.Println(value)
fmt.Println("======CAS value=======")
addValue(3)
fmt.Println(value)
}
//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
//so 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.
}
}
~~~
结果：
======old value=======
0
======CAS value=======
3
# 载入Load
上面的比较并交换案例总 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.
- so so so , 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。
### 示例
~~~
package main
import (
"fmt"
"sync/atomic"
)
var value int32
func main() {
fmt.Println("======old value=======")
fmt.Println(value)
fmt.Println("======CAS value=======")
addValue(3)
fmt.Println(value)
}
//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
//so 不得不利用for循环以进行多次尝试
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)){
//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.
}
}
~~~
- atomic.LoadInt32接受一个*int32类型的指针值
- 返回该指针指向的那个值
# 存储Store
> 与读取操作相对应的是写入操作。 而sync/atomic包也提供了与原子的载入函数相对应的原子的值存储函数。 以Store为前缀
- 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
~~~
fmt.Println("======Store value=======")
atomic.StoreInt32(&value, 10)
fmt.Println(value)
~~~
# 交换Swap
- 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
# 实际案例(继续改造上一版代码)
~~~
//数据文件的实现类型
type myDataFile struct {
f *os.File //文件
fmutex sync.RWMutex //被用于文件的读写锁
rcond *sync.Cond //读操作需要用到的条件变量
woffset int64 // 写操作需要用到的偏移量
roffset int64 // 读操作需要用到的偏移量
dataLen uint32 //数据块长度
}
//此处省略...
func (df *myDataFile) Read() (rsn int64, d Data, err error){
// 读取并更新读偏移量
var offset int64
for {
offset = atomic.LoadInt64(&df.roffset)
if atomic.CompareAndSwapInt64(&df.roffset, offset, (offset + int64(df.dataLen))){
break
}
}
//读取一个数据块,最后读取的数据块序列号
rsn = offset / int64(df.dataLen)
bytes := make([]byte, df.dataLen)
//读写锁:读锁定
df.fmutex.RLock()
defer df.fmutex.RUnlock()
for {
_, err = df.f.ReadAt(bytes, offset)
if err != nil {
if err == io.EOF {
//暂时放弃fmutex的 读锁,并等待通知的到来
df.rcond.Wait()
continue
}
}
break
}
d = bytes
return
}
func (df *myDataFile) Write(d Data) (wsn int64, err error){
//读取并更新写的偏移量
var offset int64
for {
offset = atomic.LoadInt64(&df.woffset)
if atomic.CompareAndSwapInt64(&df.woffset, offset, (offset + int64(df.dataLen))){
break
}
}
//写入一个数据块,最后写入数据块的序号
wsn = offset / int64(df.dataLen)
var bytes []byte
if len(d) > int(df.dataLen){
bytes = d[0:df.dataLen]
}else{
bytes = d
}
df.fmutex.Lock()
defer df.fmutex.Unlock()
_, err = df.f.Write(bytes)
//发送通知
df.rcond.Signal()
return
}
func (df *myDataFile) Rsn() int64{
offset := atomic.LoadInt64(&df.roffset)
return offset / int64(df.dataLen)
}
func (df *myDataFile) Wsn() int64{
offset := atomic.LoadInt64(&df.woffset)
return offset / int64(df.dataLen)
}
~~~
完整代码放在GITHUB：
[https://github.com/lxmgo/learngo](https://github.com/lxmgo/learngo)
一些学习过程整理，希望对大家学习Go语言有所帮助。