Go语言核心36讲-原子操作(下)


今天的问题是:sync/atomic包中提供了几种原子操作?可操作的数据类型又有哪些?

问题解析

__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。

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。

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。


文章作者: caty
版权声明: 本博客所有文章除特別声明外,均采用 CC BY 4.0 许可协议。转载请注明来源 caty !
 上一篇
Go语言核心36讲-原子操作(上) Go语言核心36讲-原子操作(上)
互斥锁是一个很有用的同步工具,它可以保证每一时刻进入临界区的 goroutine 只有一个。读写锁对共享资源的写操作和读操作则区别看待,并消除了读操作之间的互斥。 条件变量主要是用于协调想要访问共享资源的那些线程。当共享资源的状态发生变化时
2021-11-24
下一篇 
Go语言核心36讲-条件变量sync.Cond(上) Go语言核心36讲-条件变量sync.Cond(上)
前导知识:条件变量与互斥锁我们常常会把条件变量这个同步工具拿来与互斥锁一起讨论。实际上,条件变量是基于互斥锁的,它必须有互斥锁的支撑才能发挥作用。 条件变量并不是被用来保护临界区和共享资源的,它是用于协调想要访问共享资源的那些线程的。当共享
2021-11-24
  目录