Go 并发系列是根据我对晁岳攀老师的《Go 并发编程实战课》的吸收和理解整理而成，如有偏差，欢迎指正~

引言

这个系列，从最开始的 Mutux，WaitGroup 等，到最近的 Map、Pool，我们已经了解了很多并发原语，绝大部分并发场景的问题都可以通过这些原语解决。

但是，使用这些并发原语并不是一件性价比很高的事情。比如，data race 场景中，锁常常导致系统性能下降。

原子操作能帮助我们进行更底层的优化，在实现相同效果的同时大大减少资源的消耗。

什么是原子操作

原子操作的意思是说，这个操作在执行的过程中，其它协程不会看到执行一半的操作结果。在其它协程看来，原子操作要么执行完成了，要么还没开始，就像一个原子一样，不可分割。

在单处理器单核系统中，即使一个操作翻译成汇编不止一个指令，也有可能保持一致性。比如经常用来演示的并发场景下的 count++ 操作 （count++ 对应的汇编指令就有三条），如果像下面这样写：

无论执行多少次，输出结果都是 2000。

而在多核系统中，情况就变得复杂了许多。A核修改 count 的时候，由于 CPU 缓存的存在，B核读到的 count 值可能不是最新的值。如果我们将上面的例子中的第二行改成：

之后，程序每执行一次，结果都有可能不一样。

解决思路除了使用前面介绍过的 Mutex，也可以使用今天要介绍的 atomic，具体使用方法是将 count++ 替换成：

这样就能保证即使在多核系统下 count++ 也是一个原子操作。

针对一些基本的原子操作，不同的 CPU 架构中有不同的机制来保证原子性，atomic 包将底层不同架构的实现进行了封装，对外提供通用的 API。

atomic 的基础方法

原子操作主要是两类：修改和加载存储。修改很好理解，就是在原来值的基础上改动；加载存储就是读写。

atomic 提供了 AddXXX、CompareAndSwapXXX、SwapXXX、LoadXXX、StoreXXX 等方法。

由于 Go 暂时还不支持泛型，所以很多方法的实现都很啰嗦，比如 AddXXX 方法，针对 int32、int64、uint32 基础类型，每个类型都有相应的实现。等 Go 支持泛型之后，相信 atomic 的 API 就会清爽很多。

需要注意的是，atomic 的操作对象是地址，所以传参的时候，需要传变量的地址，不能传变量的值。

Add 方法

Add 方法很好理解，对 addr 指向的值加上 delta。如果将 delta 设置成负值，加法就变成了减法。

Add 方法的签名有如下5个：

这里有个细节，像 AddUint32 针对无符号整型的操作，它实现减法的操作略微复杂一些，可以利用计算机补码的规则，把减法变成加法。

以 AddUint32 为例：

x-c

CAS 方法

CAS 的全称是 CompareAndSwap，它支持的数据类型和方法如下：

这个方法会比较当前 addr 地址对应值是不是等于 old，等于的话就更新成 new，并返回 true，不等于的话返回 false。

CAS 本身并未实现失败的后的处理机制，只不过我们最常用的处理方式是重试而已。

Swap 方法

如果不需要比较，直接交换的话，也可以用 Swap 方法。它支持的数据类型和方法如下：

和下文的 Store 不一样的是，Swap 会返回旧值，因此被叫做置换操作。

Load 方法

Load 方法会取出 addr 地址中的值，它支持的数据类型和方法如下：

即使在多处理器、多核、有 CPU cache 的情况下，Load 方法能保证数据的读一致性。

Store 方法

Store 方法会将一个值存到指定的 addr 地址中去它支持的数据类型和方法如下：

其它协程通过 Load 读取数据，不会看到存取了一半的值。

Value 类型

上面的几种方法只支持基本的几种类型，因此，atomic 还提供了一个 Value 类型，它可以实现对任意类型（结构体）原子的存取操作。

Value 类型的定义以及支持的方法如下：

相比于上面的 StoreXXX 和 LoadXXX，value的操作效率会低一些，不过胜在简单易用。

对一个地址(更正：内存)的赋值操作是原子的吗？

不一定。如果赋值操作是原子的，那还需要 atomic 包吗？

在进一步解释之前，我们先看下下面这个例子：

先不执行这段程序，你能猜到 t 有几种输出吗？

答案是4种，分别是：{1，2}，{0，0}，{1，0}，{0，2}。

如果我们使用上面提到的 atomic.Value 来进行 t 的存储和加载：

数据的展现就恢复正常了。

在现在的操作系统中，写的地址基本是对齐的。32位系统中，变量的起始地址都是4的倍速，64位系统中，变量的起始地址都是8的倍数。如果在32位的系统上进行64位的写操作，系统可能需要两个指令才能完成（你还记得 Go 并发任务编排利器之 WaitGroup 中 state 字段针对不同系统的不同处理吗？）。对齐地址的读写，不会导致其它协程只看到写了一半的数据。

64位系统中，如果变量类型是结构体，这里的对齐一般指成员变量中第一个（64位）字是8字节对齐（具体可以看参考文章中的第一篇）。

对于现代的多处理多核的系统来说，一个核对地址的值的更改，在更新到主内存中之前，存放在在多级缓存中。这时候，其它的核看的的可能是还没有更新的数据。

多核处理器为了解决这种问题，使用了一种内存屏障的方式。使用这种方式后，数据的读写机制有点类似读写锁，并且写操作还会让 CPU 缓存失效，以便其它核能从主内存中拉取最新的值。

atomic 包提供的方法会提供内存屏障的功能，所以，atomic 不仅仅可以保证赋值的数据完整性，还能保证数据的可见性，一旦一个核更新了该地址的值，其它处理器总是能读取到它的最新值。

总结

今天这一篇主要介绍了原子操作的一些基本概念以及 Go 内置包 atomic 的几种原子操作方法。

另外，还对“对一块内存的赋值是原子操作吗？”这个问题进行了探究，现代多核操作系统中，由于多级缓存、指令重排，可见性等问题，我们对原子操作的意义有了更多的追求。

假如你还有一些疑问，或者觉得意犹未尽，想对内存对齐想做一个更深入的了解，我在文末列了两个参考文章，写的很好，强烈推荐阅读！

参考

  1. 内存布局：
  1. Go 语言标准库中 atomic.Value 的前世今生：

欢迎关注我的公众号【码农的自由之路】，左手代码，右手理财，自由的路上，希望有我也有你！

都看到这里了，不如点个 赞/喜欢，加个关注呗~~