go语言中的Atomic操作与sema锁

2024-08-12 11:33:14 浏览数 (2)

前言

在并发编程中，确保数据的一致性和程序的正确性始终是开发者面临的重大挑战。Go语言以其独特的并发模型——协程（Goroutine）和通道（Channel），为开发者提供了强大的并发编程工具。

然而，仅仅依靠协程和通道还不足以解决所有并发问题，特别是在需要精细控制资源访问和数据一致性的场景下。这时，Atomic操作和sema锁（信号量锁）便成为了Go并发编程中不可或缺的一部分。

例如，在使用Go语言开发业务的过程中，我们常常会使用到sync包下面的Mutex和RWMutex来对我们的业务逻辑加锁。实际上，互斥锁和读写锁底层都依赖于我们下面要讲的两项技术，即Atomic操作和sema锁。

Atomic操作

Atomic操作，顾名思义，是指在执行过程中不可分割的操作。在多线程或多协程环境下，对共享资源的访问必须确保原子性，以避免数据竞争和不一致性问题。Go语言通过标准库中的sync/atomic包提供了一系列原子操作函数，这些函数能够确保在并发环境中对特定变量的读取和写入是安全的。

最典型的案例就是开多个协程并发多一个全局变量自增，结果是永远是达不到预期效果的，原因是这些对全局资源的操作都不是原子性操作，往往要经过内存读取、操作、写回内存这三个步骤。如果我们要让效果达到预期，就需要使用atomic包下的方法。

atomic包提供了许多好用的Api，这里我们介绍常见的几个：

  • 变量原子性增减：可以使用如atomic.AddInt32(指针,要添加的值)这个Api进行操作。
  • CAS操作：CAS操作即compareAndSwap，可以传入old value和new value，如果值等于old value，就设置为new value。
  • LoadInt64：加载内存的时候加锁，防止变量的二进制位被其它协程修改。

Atomic的底层原理：硬件锁

Go语言中，Atomic操作的本质是一种硬件层面加锁的机制，可以保证操作一个变量的时候，其它协程和线程是无法访问的。不过，这种原子操作只能用于简单变量的简单操作。

我们可以查看一下atomic.AddInt32的底层实现，发现Go代码只有声明，说明底层应该是使用汇编来实现的。

使用Goland的ctrl shift f，找到对应的汇编，比如AMD64的实现，我们发现底层在操作变量前，使用了LOCK汇编指令，而LOCK是CPU级别的锁，这说明atomic使用的是硬件锁。

sema锁

sema锁，也叫做信号量锁（semaphore）。在Go语言中，它的核心是一个uint32的值，含义是同时可并发的协程数量。

Go语言中，每个sema锁是一个uint32值，每个值都对应一个SemaRoot结构体。查看底层代码我们可以知道，每一个锁背后都对应一个AVL树用于协程排队。

在runtime/sema.go里面，我们可以找到SemaRoot结构体：

  • sudog：平衡二叉树（AVL Tree）的根节点，用于协程排队
  • nwait：排队的协程数量
代码语言：javascript复制
go 代码解读复制代码type semaRoot struct {
	lock  mutex
	treap *sudog        // root of balanced tree of unique waiters.
	nwait atomic.Uint32 // Number of waiters. Read w/o the lock.
}

sudog结构体在runtime/runtime2.go里面：每个sudog中含有一个协程

代码语言：javascript复制
go 代码解读复制代码type sudog struct {  
    g *g  
  
    next *sudog  
    prev *sudog  
    elem unsafe.Pointer 
    
    acquiretime int64  
    releasetime int64  
    ticket      uint32  
  
    parent   *sudog // semaRoot binary tree
    waitlink *sudog // g.waiting list or semaRoot  
    waittail *sudog // semaRoot  
    c        *hchan // channel  
}

可见，sema在内存中的大致结构如下：

image.pngimage.png

当uint32 > 0时的sema操作

当uint32 > 0时的sema操作：表示可以并发获取协程的个数。

  • 获取锁：使用CAS将uint32值减少1成功，则获取锁成功。
  • 释放锁：使用atomic将uint32的值添加1，表示释放锁成功。

我们可以查看一下Go的源码：

sema.go/semacquire(addr)：传入sema的uint32的值

  • 调用cansemacquire(addr)
    • 如果uint32的值=0，return false。
    • 使用cas减1，如果成功 return true

semarelease()方法：

  • 使用atomic.Xad(addr,1)给信号量新增1，表示释放成功。

当uint32 = 0时候的sema操作

当uint32 = 0时候的sema操作：sema锁退化为一个协程休眠队列。

  • 获取锁：协程休眠，进入到堆树去等待。
  • 释放锁：从堆树中取出一个协程，唤醒。

semacquire：

  • 使用root.queue()，将协程放到AVL树里面排队
  • 使用goparkunlock()，休眠当前协程。

semarelease：

  • 如果等待的协程数量是0（atomic.Load(&root.nwait) == 0），返回。
  • 如果不是，root.dequeue()释放一个协程，唤醒协程。

小结

通过本文的探讨，我们深入了解了Go语言中Atomic操作和sema锁在并发编程中的重要作用和实际应用。

Atomic操作通过提供不可分割的读写操作，确保了并发环境下数据的一致性和安全性；而sema锁则通过控制对共享资源的访问数量，实现了更为灵活的并发控制策略。在实际开发中，我们往往会使用更上层的锁，即Go语言封装的sync.Mutex和sync.RWMutex，另外Atomic操作也是很常用的。

go 后端

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