摘要：用于展示一種簡(jiǎn)易的且更加寬松的互斥鎖的模擬。由于這里的原子操作函數(shù)只支持非常有限的數(shù)據(jù)類(lèi)型，所以在很多應(yīng)用場(chǎng)景下，互斥鎖往往是更加適合的。這主要是因?yàn)樵硬僮骱瘮?shù)的執(zhí)行速度要比互斥鎖快得多。

30 | 原子操作（下）

我們接著上一篇文章的內(nèi)容繼續(xù)聊，上一篇我們提到了，sync/atomic包中的函數(shù)可以做的原子操作有：加法（add）、比較并交換（compare and swap，簡(jiǎn)稱(chēng) CAS）、加載（load）、存儲(chǔ)（store）和交換（swap）。并且以此衍生出了兩個(gè)問(wèn)題。

今天我們繼續(xù)來(lái)看第三個(gè)衍生問(wèn)題： 比較并交換操作與交換操作相比有什么不同？?jī)?yōu)勢(shì)在哪里？

回答是：比較并交換操作即 CAS 操作，是有條件的交換操作，只有在條件滿(mǎn)足的情況下才會(huì)進(jìn)行值的交換。

所謂的交換指的是，把新值賦給變量，并返回變量的舊值。

在進(jìn)行 CAS 操作的時(shí)候，函數(shù)會(huì)先判斷被操作變量的當(dāng)前值，是否與我們預(yù)期的舊值相等。如果相等，它就把新值賦給該變量，并返回true以表明交換操作已進(jìn)行；否則就忽略交換操作，并返回false。

可以看到，CAS 操作并不是單一的操作，而是一種操作組合。這與其他的原子操作都不同。正因?yàn)槿绱?，它的用途要更廣泛一些。例如，我們將它與for語(yǔ)句聯(lián)用就可以實(shí)現(xiàn)一種簡(jiǎn)易的自旋鎖（spinlock）。

for { if atomic.CompareAndSwapInt32(&num2, 10, 0) {  fmt.Println("The second number has gone to zero.")  break } time.Sleep(time.Millisecond * 500)}

在for語(yǔ)句中的 CAS 操作可以不停地檢查某個(gè)需要滿(mǎn)足的條件，一旦條件滿(mǎn)足就退出for循環(huán)。這就相當(dāng)于，只要條件未被滿(mǎn)足，當(dāng)前的流程就會(huì)被一直“阻塞”在這里。

這在效果上與互斥鎖有些類(lèi)似。不過(guò)，它們的適用場(chǎng)景是不同的。我們?cè)谑褂没コ怄i的時(shí)候，總是假設(shè)共享資源的狀態(tài)會(huì)被其他的 goroutine 頻繁地改變。

而for語(yǔ)句加 CAS 操作的假設(shè)往往是：共享資源狀態(tài)的改變并不頻繁，或者，它的狀態(tài)總會(huì)變成期望的那樣。這是一種更加樂(lè)觀(guān)，或者說(shuō)更加寬松的做法。

package mainimport (	"fmt"	"sync/atomic"	"time")func main() {	// 第三個(gè)衍生問(wèn)題的示例。	forAndCAS1()	fmt.Println()	forAndCAS2()}// forAndCAS1 用于展示簡(jiǎn)易的自旋鎖。func forAndCAS1() {	sign := make(chan struct{}, 2)	num := int32(0)	fmt.Printf("The number: %d/n", num)	go func() { // 定時(shí)增加num的值。		defer func() {			sign <- struct{}{}		}()		for {			time.Sleep(time.Millisecond * 500)			newNum := atomic.AddInt32(&num, 2)			fmt.Printf("The number: %d/n", newNum)			if newNum == 10 {				break			}		}	}()	go func() { // 定時(shí)檢查num的值，如果等于10就將其歸零。		defer func() {			sign <- struct{}{}		}()		for {			if atomic.CompareAndSwapInt32(&num, 10, 0) {				fmt.Println("The number has gone to zero.")				break			}			time.Sleep(time.Millisecond * 500)		}	}()	<-sign	<-sign}// forAndCAS2 用于展示一種簡(jiǎn)易的（且更加寬松的）互斥鎖的模擬。func forAndCAS2() {	sign := make(chan struct{}, 2)	num := int32(0)	fmt.Printf("The number: %d/n", num)	max := int32(20)	go func(id int, max int32) { // 定時(shí)增加num的值。		defer func() {			sign <- struct{}{}		}()		for i := 0; ; i++ {			currNum := atomic.LoadInt32(&num)			if currNum >= max {				break			}			newNum := currNum + 2			time.Sleep(time.Millisecond * 200)			if atomic.CompareAndSwapInt32(&num, currNum, newNum) {				fmt.Printf("The number: %d [%d-%d]/n", newNum, id, i)			} else {				fmt.Printf("The CAS operation failed. [%d-%d]/n", id, i)			}		}	}(1, max)	go func(id int, max int32) { // 定時(shí)增加num的值。		defer func() {			sign <- struct{}{}		}()		for j := 0; ; j++ {			currNum := atomic.LoadInt32(&num)			if currNum >= max {				break			}			newNum := currNum + 2			time.Sleep(time.Millisecond * 200)			if atomic.CompareAndSwapInt32(&num, currNum, newNum) {				fmt.Printf("The number: %d [%d-%d]/n", newNum, id, j)			} else {				fmt.Printf("The CAS operation failed. [%d-%d]/n", id, j)			}		}	}(2, max)	<-sign	<-sign}

第四個(gè)衍生問(wèn)題：假設(shè)我已經(jīng)保證了對(duì)一個(gè)變量的寫(xiě)操作都是原子操作，比如：加或減、存儲(chǔ)、交換等等，那我對(duì)它進(jìn)行讀操作的時(shí)候，還有必要使用原子操作嗎？

回答是：很有必要。其中的道理你可以對(duì)照一下讀寫(xiě)鎖。為什么在讀寫(xiě)鎖保護(hù)下的寫(xiě)操作和讀操作之間是互斥的？這是為了防止讀操作讀到?jīng)]有被修改完的值，對(duì)嗎？

如果寫(xiě)操作還沒(méi)有進(jìn)行完，讀操作就來(lái)讀了，那么就只能讀到僅修改了一部分的值。這顯然破壞了值的完整性，讀出來(lái)的值也是完全錯(cuò)誤的。

所以，一旦你決定了要對(duì)一個(gè)共享資源進(jìn)行保護(hù)，那就要做到完全的保護(hù)。不完全的保護(hù)基本上與不保護(hù)沒(méi)有什么區(qū)別。

好了，上面的主問(wèn)題以及相關(guān)的衍生問(wèn)題涉及了原子操作函數(shù)的用法、原理、對(duì)比和一些最佳實(shí)踐，希望你已經(jīng)理解了。

由于這里的原子操作函數(shù)只支持非常有限的數(shù)據(jù)類(lèi)型，所以在很多應(yīng)用場(chǎng)景下，互斥鎖往往是更加適合的。

不過(guò)，一旦我們確定了在某個(gè)場(chǎng)景下可以使用原子操作函數(shù)，比如：只涉及并發(fā)地讀寫(xiě)單一的整數(shù)類(lèi)型值，或者多個(gè)互不相關(guān)的整數(shù)類(lèi)型值，那就不要再考慮互斥鎖了。

這主要是因?yàn)樵硬僮骱瘮?shù)的執(zhí)行速度要比互斥鎖快得多。而且，它們使用起來(lái)更加簡(jiǎn)單，不會(huì)涉及臨界區(qū)的選擇，以及死鎖等問(wèn)題。當(dāng)然了，在使用 CAS 操作的時(shí)候，我們還是要多加注意的，因?yàn)樗梢员挥脕?lái)模仿鎖，并有可能“阻塞”流程。

知識(shí)擴(kuò)展

問(wèn)題：怎樣用好sync/atomic.Value？

為了擴(kuò)大原子操作的適用范圍，Go 語(yǔ)言在 1.4 版本發(fā)布的時(shí)候向sync/atomic包中添加了一個(gè)新的類(lèi)型Value。此類(lèi)型的值相當(dāng)于一個(gè)容器，可以被用來(lái)“原子地”存儲(chǔ)和加載任意的值。

atomic.Value類(lèi)型是開(kāi)箱即用的，我們聲明一個(gè)該類(lèi)型的變量（以下簡(jiǎn)稱(chēng)原子變量）之后就可以直接使用了。這個(gè)類(lèi)型使用起來(lái)很簡(jiǎn)單，它只有兩個(gè)指針?lè)椒ǎ篠tore和Load。不過(guò)，雖然簡(jiǎn)單，但還是有一些值得注意的地方的。

首先一點(diǎn)，一旦atomic.Value類(lèi)型的值（以下簡(jiǎn)稱(chēng)原子值）被真正使用，它就不應(yīng)該再被復(fù)制了。什么叫做“真正使用”呢？

我們只要用它來(lái)存儲(chǔ)值了，就相當(dāng)于開(kāi)始真正使用了。atomic.Value類(lèi)型屬于結(jié)構(gòu)體類(lèi)型，而結(jié)構(gòu)體類(lèi)型屬于值類(lèi)型。

所以，復(fù)制該類(lèi)型的值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完全分離的新值。這個(gè)新值相當(dāng)于被復(fù)制的那個(gè)值的一個(gè)快照。之后，不論后者存儲(chǔ)的值怎樣改變，都不會(huì)影響到前者，反之亦然。

另外，關(guān)于用原子值來(lái)存儲(chǔ)值，有兩條強(qiáng)制性的使用規(guī)則。第一條規(guī)則，不能用原子值存儲(chǔ)nil。

也就是說(shuō)，我們不能把nil作為參數(shù)值傳入原子值的Store方法，否則就會(huì)引發(fā)一個(gè) panic。

這里要注意，如果有一個(gè)接口類(lèi)型的變量，它的動(dòng)態(tài)值是nil，但動(dòng)態(tài)類(lèi)型卻不是nil，那么它的值就不等于nil。我在前面講接口的時(shí)候和你說(shuō)明過(guò)這個(gè)問(wèn)題。正因?yàn)槿绱?，這樣一個(gè)變量的值是可以被存入原子值的。

第二條規(guī)則，我們向原子值存儲(chǔ)的第一個(gè)值，決定了它今后能且只能存儲(chǔ)哪一個(gè)類(lèi)型的值。

例如，我第一次向一個(gè)原子值存儲(chǔ)了一個(gè)string類(lèi)型的值，那我在后面就只能用該原子值來(lái)存儲(chǔ)字符串了。如果我又想用它存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)體，那么在調(diào)用它的Store方法的時(shí)候就會(huì)引發(fā)一個(gè) panic。這個(gè) panic 會(huì)告訴我，這次存儲(chǔ)的值的類(lèi)型與之前的不一致。

你可能會(huì)想：我先存儲(chǔ)一個(gè)接口類(lèi)型的值，然后再存儲(chǔ)這個(gè)接口的某個(gè)實(shí)現(xiàn)類(lèi)型的值，這樣是不是可以呢？

很可惜，這樣是不可以的，同樣會(huì)引發(fā)一個(gè) panic。因?yàn)樵又祪?nèi)部是依據(jù)被存儲(chǔ)值的實(shí)際類(lèi)型來(lái)做判斷的。所以，即使是實(shí)現(xiàn)了同一個(gè)接口的不同類(lèi)型，它們的值也不能被先后存儲(chǔ)到同一個(gè)原子值中。

遺憾的是，我們無(wú)法通過(guò)某個(gè)方法獲知一個(gè)原子值是否已經(jīng)被真正使用，并且，也沒(méi)有辦法通過(guò)常規(guī)的途徑得到一個(gè)原子值可以存儲(chǔ)值的實(shí)際類(lèi)型。這使得我們誤用原子值的可能性大大增加，尤其是在多個(gè)地方使用同一個(gè)原子值的時(shí)候。

下面，我給你幾條具體的使用建議。

1、不要把內(nèi)部使用的原子值暴露給外界。比如，聲明一個(gè)全局的原子變量并不是一個(gè)正確的做法。這個(gè)變量的訪(fǎng)問(wèn)權(quán)限最起碼也應(yīng)該是包級(jí)私有的。

2、如果不得不讓包外，或模塊外的代碼使用你的原子值，那么可以聲明一個(gè)包級(jí)私有的原子變量，然后再通過(guò)一個(gè)或多個(gè)公開(kāi)的函數(shù)，讓外界間接地使用到它。注意，這種情況下不要把原子值傳遞到外界，不論是傳遞原子值本身還是它的指針值。

3、如果通過(guò)某個(gè)函數(shù)可以向內(nèi)部的原子值存儲(chǔ)值的話(huà)，那么就應(yīng)該在這個(gè)函數(shù)中先判斷被存儲(chǔ)值類(lèi)型的合法性。若不合法，則應(yīng)該直接返回對(duì)應(yīng)的錯(cuò)誤值，從而避免 panic 的發(fā)生。

4、如果可能的話(huà)，我們可以把原子值封裝到一個(gè)數(shù)據(jù)類(lèi)型中，比如一個(gè)結(jié)構(gòu)體類(lèi)型。這樣，我們既可以通過(guò)該類(lèi)型的方法更加安全地存儲(chǔ)值，又可以在該類(lèi)型中包含可存儲(chǔ)值的合法類(lèi)型信息。

除了上述使用建議之外，我還要再特別強(qiáng)調(diào)一點(diǎn)：盡量不要向原子值中存儲(chǔ)引用類(lèi)型的值。因?yàn)檫@很容易造成安全漏洞。請(qǐng)看下面的代碼：

var box6 atomic.Valuev6 := []int{1, 2, 3}box6.Store(v6)v6[1] = 4 // 注意，此處的操作不是并發(fā)安全的！

我把一個(gè)[]int類(lèi)型的切片值v6, 存入了原子值box6。注意，切片類(lèi)型屬于引用類(lèi)型。所以，我在外面改動(dòng)這個(gè)切片值，就等于修改了box6中存儲(chǔ)的那個(gè)值。這相當(dāng)于繞過(guò)了原子值而進(jìn)行了非并發(fā)安全的操作。那么，應(yīng)該怎樣修補(bǔ)這個(gè)漏洞呢？可以這樣做：

store := func(v []int) { replica := make([]int, len(v)) copy(replica, v) box6.Store(replica)}store(v6)v6[2] = 5 // 此處的操作是安全的。

我先為切片值v6創(chuàng)建了一個(gè)完全的副本。這個(gè)副本涉及的數(shù)據(jù)已經(jīng)與原值毫不相干了。然后，我再把這個(gè)副本存入box6。如此一來(lái)，無(wú)論我再對(duì)v6的值做怎樣的修改，都不會(huì)破壞box6提供的安全保護(hù)。

以上，就是我要告訴你的關(guān)于atomic.Value的注意事項(xiàng)和使用建議。你可以在 demo64.go 文件中看到相應(yīng)的示例。

package mainimport (	"errors"	"fmt"	"io"	"os"	"reflect"	"sync/atomic")func main() {	// 示例1。	var box atomic.Value	fmt.Println("Copy box to box2.")	box2 := box // 原子值在真正使用前可以被復(fù)制。	v1 := [...]int{1, 2, 3}	fmt.Printf("Store %v to box./n", v1)	box.Store(v1)	fmt.Printf("The value load from box is %v./n", box.Load())	fmt.Printf("The value load from box2 is %v./n", box2.Load())	fmt.Println()	// 示例2。	v2 := "123"	fmt.Printf("Store %q to box2./n", v2)	box2.Store(v2) // 這里并不會(huì)引發(fā)panic。	fmt.Printf("The value load from box is %v./n", box.Load())	fmt.Printf("The value load from box2 is %q./n", box2.Load())	fmt.Println()	// 示例3。	fmt.Println("Copy box to box3.")	box3 := box // 原子值在真正使用后不應(yīng)該被復(fù)制！	fmt.Printf("The value load from box3 is %v./n", box3.Load())	v3 := 123	fmt.Printf("Store %d to box3./n", v3)	//box3.Store(v3) // 這里會(huì)引發(fā)一個(gè)panic，報(bào)告存儲(chǔ)值的類(lèi)型不一致。	_ = box3	fmt.Println()	// 示例4。	var box4 atomic.Value	v4 := errors.New("something wrong")	fmt.Printf("Store an error with message %q to box4./n", v4)	box4.Store(v4)	v41 := io.EOF	fmt.Println("Store a value of the same type to box4.")	box4.Store(v41)	v42, ok := interface{}(&os.PathError{}).(error)	if ok {		fmt.Printf("Store a value of type %T that implements error interface to box4./n", v42)		//box4.Store(v42) // 這里會(huì)引發(fā)一個(gè)panic，報(bào)告存儲(chǔ)值的類(lèi)型不一致。	}	fmt.Println()	// 示例5。	box5, err := NewAtomicValue(v4)	if err != nil {		fmt.Printf("error: %s/n", err)	}	fmt.Printf("The legal type in box5 is %s./n", box5.TypeOfValue())	fmt.Println("Store a value of the same type to box5.")	err = box5.Store(v41)	if err != nil {		fmt.Printf("error: %s/n", err)	}	fmt.Printf("Store a value of type %T that implements error interface to box5./n", v42)	err = box5.Store(v42)	if err != nil {		fmt.Printf("error: %s/n", err)	}	fmt.Println()	// 示例6。	var box6 atomic.Value	v6 := []int{1, 2, 3}	fmt.Printf("Store %v to box6./n", v6)	box6.Store(v6)	v6[1] = 4 // 注意，此處的操作不是并發(fā)安全的！	fmt.Printf("The value load from box6 is %v./n", box6.Load())	// 正確的做法如下。	v6 = []int{1, 2, 3}	store := func(v []int) {		replica := make([]int, len(v))		copy(replica, v)		box6.Store(replica)	}	fmt.Printf("Store %v to box6./n", v6)	store(v6)	v6[2] = 5 // 此處的操作是安全的。	fmt.Printf("The value load from box6 is %v./n", box6.Load())}type atomicValue struct {	v atomic.Value	t reflect.Type}func NewAtomicValue(example interface{}) (*atomicValue, error) {	if example == nil {		return nil, errors.New("atomic value: nil example")	}	return &atomicValue{		t: reflect.TypeOf(example),	}, nil}func (av *atomicValue) Store(v interface{}) error {	if v == nil {		return errors.New("atomic value: nil value")	}	t := reflect.TypeOf(v)	if t != av.t {		return fmt.Errorf("atomic value: wrong type: %s", t)	}	av.v.Store(v)	return nil}func (av *atomicValue) Load() interface{} {	return av.v.Load()}func (av *atomicValue) TypeOfValue() reflect.Type {	return av.t}

總結(jié)

我們把這兩篇文章一起總結(jié)一下。相對(duì)于原子操作函數(shù)，原子值類(lèi)型的優(yōu)勢(shì)很明顯，但它的使用規(guī)則也更多一些。首先，在首次真正使用后，原子值就不應(yīng)該再被復(fù)制了。

其次，原子值的Store方法對(duì)其參數(shù)值（也就是被存儲(chǔ)值）有兩個(gè)強(qiáng)制的約束。一個(gè)約束是，參數(shù)值不能為nil。另一個(gè)約束是，參數(shù)值的類(lèi)型不能與首個(gè)被存儲(chǔ)值的類(lèi)型不同。也就是說(shuō)，一旦一個(gè)原子值存儲(chǔ)了某個(gè)類(lèi)型的值，那它以后就只能存儲(chǔ)這個(gè)類(lèi)型的值了。

基于上面這幾個(gè)注意事項(xiàng)，我提出了幾條使用建議，包括：不要對(duì)外暴露原子變量、不要傳遞原子值及其指針值、盡量不要在原子值中存儲(chǔ)引用類(lèi)型的值，等等。與之相關(guān)的一些解決方案我也一并提出了。希望你能夠受用。

原子操作明顯比互斥鎖要更加輕便，但是限制也同樣明顯。所以，我們?cè)谶M(jìn)行二選一的時(shí)候通常不會(huì)太困難。但是原子值與互斥鎖之間的選擇有時(shí)候就需要仔細(xì)的考量了。不過(guò)，如果你能牢記我今天講的這些內(nèi)容的話(huà)，應(yīng)該會(huì)有很大的助力。

思考題

今天的思考題只有一個(gè)，那就是：如果要對(duì)原子值和互斥鎖進(jìn)行二選一，你認(rèn)為最重要的三個(gè)決策條件應(yīng)該是什么？

筆記源碼

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