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30 | 原子操作(下)

我们接着上一篇文章的内容继续聊,上一篇我们提到了,sync/atomic包中的函数可以做的原子操作有:加法(add)、比较并交换(compare and swap,简称 CAS)、加载(load)、存储(store)和交换(swap)。并且以此衍生出了两个问题。

今天我们继续来看第三个衍生问题: 比较并交换操作与交换操作相比有什么不同?优势在哪里?

回答是:比较并交换操作即 CAS 操作,是有条件的交换操作,只有在条件满足的情况下才会进行值的交换。

所谓的交换指的是,把新值赋给变量,并返回变量的旧值。

在进行 CAS 操作的时候,函数会先判断被操作变量的当前值,是否与我们预期的旧值相等。如果相等,它就把新值赋给该变量,并返回true以表明交换操作已进行;否则就忽略交换操作,并返回false。

可以看到,CAS 操作并不是单一的操作,而是一种操作组合。这与其他的原子操作都不同。正因为如此,它的用途要更广泛一些。例如,我们将它与for语句联用就可以实现一种简易的自旋锁(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语句中的 CAS 操作可以不停地检查某个需要满足的条件,一旦条件满足就退出for循环。这就相当于,只要条件未被满足,当前的流程就会被一直“阻塞”在这里。

这在效果上与互斥锁有些类似。不过,它们的适用场景是不同的。我们在使用互斥锁的时候,总是假设共享资源的状态会被其他的 goroutine 频繁地改变。

而for语句加 CAS 操作的假设往往是:共享资源状态的改变并不频繁,或者,它的状态总会变成期望的那样。这是一种更加乐观,或者说更加宽松的做法。

package main

import (
	"fmt"
	"sync/atomic"
	"time"
)

func main() {
	// 第三个衍生问题的示例。
	forAndCAS1()
	fmt.Println()
	forAndCAS2()
}

// forAndCAS1 用于展示简易的自旋锁。
func forAndCAS1() {
	sign := make(chan struct{}, 2)
	num := int32(0)
	fmt.Printf("The number: %d\n", num)
	go func() { // 定时增加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() { // 定时检查num的值,如果等于10就将其归零。
		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 用于展示一种简易的(且更加宽松的)互斥锁的模拟。
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) { // 定时增加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) { // 定时增加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
}

第四个衍生问题:假设我已经保证了对一个变量的写操作都是原子操作,比如:加或减、存储、交换等等,那我对它进行读操作的时候,还有必要使用原子操作吗?

回答是:很有必要。其中的道理你可以对照一下读写锁。为什么在读写锁保护下的写操作和读操作之间是互斥的?这是为了防止读操作读到没有被修改完的值,对吗?

如果写操作还没有进行完,读操作就来读了,那么就只能读到仅修改了一部分的值。这显然破坏了值的完整性,读出来的值也是完全错误的。

所以,一旦你决定了要对一个共享资源进行保护,那就要做到完全的保护。不完全的保护基本上与不保护没有什么区别。

好了,上面的主问题以及相关的衍生问题涉及了原子操作函数的用法、原理、对比和一些最佳实践,希望你已经理解了。

由于这里的原子操作函数只支持非常有限的数据类型,所以在很多应用场景下,互斥锁往往是更加适合的。

不过,一旦我们确定了在某个场景下可以使用原子操作函数,比如:只涉及并发地读写单一的整数类型值,或者多个互不相关的整数类型值,那就不要再考虑互斥锁了。

这主要是因为原子操作函数的执行速度要比互斥锁快得多。而且,它们使用起来更加简单,不会涉及临界区的选择,以及死锁等问题。当然了,在使用 CAS 操作的时候,我们还是要多加注意的,因为它可以被用来模仿锁,并有可能“阻塞”流程。

知识扩展

问题:怎样用好sync/atomic.Value?

为了扩大原子操作的适用范围,Go 语言在 1.4 版本发布的时候向sync/atomic包中添加了一个新的类型Value。此类型的值相当于一个容器,可以被用来“原子地”存储和加载任意的值。

atomic.Value类型是开箱即用的,我们声明一个该类型的变量(以下简称原子变量)之后就可以直接使用了。这个类型使用起来很简单,它只有两个指针方法:Store和Load。不过,虽然简单,但还是有一些值得注意的地方的。

首先一点,一旦atomic.Value类型的值(以下简称原子值)被真正使用,它就不应该再被复制了。什么叫做“真正使用”呢?

我们只要用它来存储值了,就相当于开始真正使用了。atomic.Value类型属于结构体类型,而结构体类型属于值类型。

所以,复制该类型的值会产生一个完全分离的新值。这个新值相当于被复制的那个值的一个快照。之后,不论后者存储的值怎样改变,都不会影响到前者,反之亦然。

另外,关于用原子值来存储值,有两条强制性的使用规则。第一条规则,不能用原子值存储nil。

也就是说,我们不能把nil作为参数值传入原子值的Store方法,否则就会引发一个 panic。

这里要注意,如果有一个接口类型的变量,它的动态值是nil,但动态类型却不是nil,那么它的值就不等于nil。我在前面讲接口的时候和你说明过这个问题。正因为如此,这样一个变量的值是可以被存入原子值的。

第二条规则,我们向原子值存储的第一个值,决定了它今后能且只能存储哪一个类型的值。

例如,我第一次向一个原子值存储了一个string类型的值,那我在后面就只能用该原子值来存储字符串了。如果我又想用它存储结构体,那么在调用它的Store方法的时候就会引发一个 panic。这个 panic 会告诉我,这次存储的值的类型与之前的不一致。

你可能会想:我先存储一个接口类型的值,然后再存储这个接口的某个实现类型的值,这样是不是可以呢?

很可惜,这样是不可以的,同样会引发一个 panic。因为原子值内部是依据被存储值的实际类型来做判断的。所以,即使是实现了同一个接口的不同类型,它们的值也不能被先后存储到同一个原子值中。

遗憾的是,我们无法通过某个方法获知一个原子值是否已经被真正使用,并且,也没有办法通过常规的途径得到一个原子值可以存储值的实际类型。这使得我们误用原子值的可能性大大增加,尤其是在多个地方使用同一个原子值的时候。

下面,我给你几条具体的使用建议。

1、不要把内部使用的原子值暴露给外界。比如,声明一个全局的原子变量并不是一个正确的做法。这个变量的访问权限最起码也应该是包级私有的。

2、如果不得不让包外,或模块外的代码使用你的原子值,那么可以声明一个包级私有的原子变量,然后再通过一个或多个公开的函数,让外界间接地使用到它。注意,这种情况下不要把原子值传递到外界,不论是传递原子值本身还是它的指针值。

3、如果通过某个函数可以向内部的原子值存储值的话,那么就应该在这个函数中先判断被存储值类型的合法性。若不合法,则应该直接返回对应的错误值,从而避免 panic 的发生。

4、如果可能的话,我们可以把原子值封装到一个数据类型中,比如一个结构体类型。这样,我们既可以通过该类型的方法更加安全地存储值,又可以在该类型中包含可存储值的合法类型信息。

除了上述使用建议之外,我还要再特别强调一点:尽量不要向原子值中存储引用类型的值。因为这很容易造成安全漏洞。请看下面的代码:

var box6 atomic.Value
v6 := []int{1, 2, 3}
box6.Store(v6)
v6[1] = 4 // 注意,此处的操作不是并发安全的!

我把一个[]int类型的切片值v6, 存入了原子值box6。注意,切片类型属于引用类型。所以,我在外面改动这个切片值,就等于修改了box6中存储的那个值。这相当于绕过了原子值而进行了非并发安全的操作。那么,应该怎样修补这个漏洞呢?可以这样做:

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

我先为切片值v6创建了一个完全的副本。这个副本涉及的数据已经与原值毫不相干了。然后,我再把这个副本存入box6。如此一来,无论我再对v6的值做怎样的修改,都不会破坏box6提供的安全保护。

以上,就是我要告诉你的关于atomic.Value的注意事项和使用建议。你可以在 demo64.go 文件中看到相应的示例。

package main

import (
	"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复制。
	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) // 这里并不会引发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应该被复制!
	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) // 这里会引发一个panic,报告存储值的类型不一致。
	_ = 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) // 这里会引发一个panic,报告存储值的类型不一致。
	}
	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,此处的操作不是并发安全的!
	fmt.Printf("The value load from box6 is %v.\n", box6.Load())
	// 正确的做法如下。
	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 // 此处的操作是安全的。
	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
}

总结

我们把这两篇文章一起总结一下。相对于原子操作函数,原子值类型的优势很明显,但它的使用规则也更多一些。首先,在首次真正使用后,原子值就不应该再被复制了。

其次,原子值的Store方法对其参数值(也就是被存储值)有两个强制的约束。一个约束是,参数值不能为nil。另一个约束是,参数值的类型不能与首个被存储值的类型不同。也就是说,一旦一个原子值存储了某个类型的值,那它以后就只能存储这个类型的值了。

基于上面这几个注意事项,我提出了几条使用建议,包括:不要对外暴露原子变量、不要传递原子值及其指针值、尽量不要在原子值中存储引用类型的值,等等。与之相关的一些解决方案我也一并提出了。希望你能够受用。

原子操作明显比互斥锁要更加轻便,但是限制也同样明显。所以,我们在进行二选一的时候通常不会太困难。但是原子值与互斥锁之间的选择有时候就需要仔细的考量了。不过,如果你能牢记我今天讲的这些内容的话,应该会有很大的助力。

思考题

今天的思考题只有一个,那就是:如果要对原子值和互斥锁进行二选一,你认为最重要的三个决策条件应该是什么?

笔记源码

https://github.com/MingsonZheng/go-core-demo

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