Go中sync/atomic原子操作分析

ivansli2021-01-162023-10-31

1. 什么是原子操作

程序的原子操作一般指：程序的一条或者几条指令是一个不可分割的执行整体，要么全部执行，要么不执行。

在Go中有原子操作对应的包sync/atomic，可以用来对某些具有竞争性的变量进行原子操作，以免在多goroutine操作的情况下数据发生错乱，而不能达到预期要求。

2. 多goroutine加法的两种操作

普通的加法操作：

func main() {
	var num uint32 = 0
        var add uint32 = 1

	wg := sync.WaitGroup{}
	wg.Add(100)

	for i:=0; i < 100; i++{
		go func() {
			defer wg.Done()
			num += add
		}()
	}

	wg.Wait()
	fmt.Println(num)
}

执行结果基本都是 num != 100。

使用sync/atomic包进行原子加法操作：

func main() {
	var num uint32 = 0
        var add uint32 = 1

	wg := sync.WaitGroup{}
	wg.Add(100)

	for i:=0; i < 100; i++{
		go func() {
			defer wg.Done()
			atomic.AddUint32(&num, add)
		}()
	}

	wg.Wait()
	fmt.Println(num)
}

执行结果都为 num == 100。

3. 从汇编层面分析

为什么会出现上面的执行结果呢？

首先分析一下num += add的汇编代码：

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MOVL 0(SP), AX ;获取num的值
INCL AX        ; 进行加1操作
MOVL AX, 0(SP) ;把结果赋值给num

也就是说，num += add对应3条底层CPU指令，由于多goroutine是并发执行并没有采取其他同步机制，导致同时会有多个goroutine取到相同的num值，并进行加1操作。这样就导致看到的结果不等于100。

在看一下原子操作atomic.AddUint32(&num, add)对应的汇编：

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MOVQ 0x18(SP), AX    ;num的地址放到寄存器AX
MOVL $0x1, CX        ;累加的值1放到寄存器CX
LOCK XADDL CX, 0(AX) ;进行相加操作（核心操作）

也是3条底层CPU指令，但是与上面的3条CPU指令却有本质的区别。

LOCK XADDL CX, 0(AX)中LOCK前缀标识该指令为原子操作指令（由硬件进行支持），XADDL表示交换并相加（相当于num += add对应的3条底层CPU指令）是一个不可分割的原子操作。由于LOCK的加持，就算是多goroutine同时执行到了该CPU指令的位置，也只有一个goroutine能执行成功，其他goroutine都要进行等待。这也就是使用atomic执行加法操作能够达到预期的原因。

4. go源码中AddUint32的实现

// 源码位置：sync/atomic/doc.go
// AddUint32 atomically adds delta to *addr and returns the new value.
// To subtract a signed positive constant value c from x, do AddUint32(&x, ^uint32(c-1)).
// In particular, to decrement x, do AddUint32(&x, ^uint32(0)).
func AddUint32(addr *uint32, delta uint32) (new uint32)

// 源码位置：sync/atomic/asm.s
TEXT ·AddUint32(SB),NOSPLIT,$0
	JMP	runtime∕internal∕atomic·Xadd(SB)

// 最终源码位置（amd64架构）：runtime/internal/atomic/asm_amd64.s
// uint32 Xadd(uint32 volatile *val, int32 delta)
// Atomically:
//	*val += delta;
//	return *val;
TEXT runtime∕internal∕atomic·Xadd(SB), NOSPLIT, $0-20
	MOVQ	ptr+0(FP), BX
	MOVL	delta+8(FP), AX
	MOVL	AX, CX
	LOCK
	XADDL	AX, 0(BX)
	ADDL	CX, AX
	MOVL	AX, ret+16(FP)
	RET