介绍原子性的概念及 atomic 包的使用

写在前面

过去 Web 开发的工作比较少涉及到并发的问题，每个用户请求在独立的线程里面进行，偶尔涉及到异步任务但是线程间数据同步模型非常简单，因此并未深入探究过并发这一块。最近在写游戏相关的服务端代码时发现数据的并发同步场景非常多，因此花了一点时间来探索。这是一个系列文章，本文为第二篇。

本文通过一个例子来引出 Golang 中的数据并发同步问题，并通过使用 atomic 包的方式来避免数据竞争问题。

原子性及 Go 中 atomic 包的使用

再提非常原始的数据竞争问题

下面的代码模拟了为一个用户（Person）发放金币（Money）的代码，其中金币发放与读取分别再不同的线程里完成（读取在主线程，发放在一个子线程）。

// cat main.go
package main

import (
	"fmt"
)

type Person struct {
	Money int
}

func main() {
	p := Person{Money: 100}
	go func() {
		p.Money += 1000
	}()
	p.Money += 1000
	fmt.Printf("Money: %d\n", p.Money)
}

go run 时使用 -race 标志运行上面的代码可以发现数据竞争提醒：

# 添加 -race 后检测竞争状态，可以看到 race 的提醒
go run -race main.go
# Money: 1100
# ==================
# WARNING: DATA RACE
# Write at 0x00c00001c0a0 by goroutine 6:
# Previous read at 0x00c00001c0a0 by main goroutine

根据《 谈谈go语言编程的并发安全》 和 《 benign-data-races-what-could-possibly-go-wrong 》的讨论，上面的代码无法保证 fmt.Printf("Money: %d\n", p.Money) 这一句会输出什么，同时存在严重的问题（高并发下可能出现严重问题导致代码崩溃），因此有必要通过一定的措施避免这种不确定性。

原子性概念及其实现原理

原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；原子操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch（上下文切换，从当前线程切换到另一个线程）。（from 百度百科）

对于编程语言中变量的修改，可以认为原子操作需满足下面的条件：① 变量的读写过程不可中断（不可以读到一半做其他事情，也不可写到一半做其他事情），② 变量的读写过程不可同时进行（不可以写变量的同时读取变量，防止读取到仅更新了一半的变量值；也不可以写变量的同时另一个线程也在写这个变量，防止其中一个更新无效）。

根据 Golang 官方 内存模型 文档中的描述 Programs that modify data being simultaneously accessed by multiple goroutines must serialize such access. 以及 atomic 包的存在，可以认为 Golang 对同一块内存的并发读写访问并不是原子性的。简而言之，Golang 中对一个变量进行更新时，另一个线程可以并发地读这个变量的值，而读取到的值是内存不确定的（即不一定读到什么东西）。

使用 atomic 包来避免数据竞争

上篇文章《 浅谈 Golang 中数据的并发同步问题（一） 》采用 添加读写锁 的方式避免了数据竞争。对于 用户->金币 这种模型（金币是一个数值而非其他的复杂类型），其实也可以采用 atomic 包来避免数据竞争问题。

下面的代码引入了 atomic 的使用，由于其仅支持 int32 和 int64 这种显式定义字节长度的类型，因此代码中把 Money 修改为了 int64 类型。

package main

import (
	"fmt"
	"sync/atomic"
)

type Person struct {
	Money int64
}

func main() {
	p := Person{Money: 100}
	go func() {
		atomic.AddInt64(&p.Money, 1000)
	}()
	atomic.AddInt64(&p.Money, 1000)
	fmt.Printf("Money: %d\n", atomic.LoadInt64(&p.Money))
}

go run -race main.go 运行上面的代码可以发现数据竞争的提醒消失了：

# 添加 -race 后检测竞争状态，可以看到 race 的提醒
go run -race main.go
# Money: 1100

小结

atomic 包主要局限在 数值类型 的赋值、修改、读取、交换等操作，不可以处理像 struct、map 这种高级类型，因此 atomic 的使用具有比较大的局限性。

就像文档中描述的： These functions (of atomics) require great care to be used correctly. Except for special, low-level applications, synchronization is better done with channels or the facilities of the sync package. Share memory by communicating; don't communicate by sharing memory.

除非知道自己在做什么，否则更推荐使用 channel（通道） 和 sync（锁）的方式处理数据同步问题。

参考