Golang并发编程之原子操作详解，避免数据竞争！

在Golang中，我们常常需要通过并发来提高程序的性能，但是在并发编程中我们要特别注意数据竞争的问题。数据竞争是指多个goroutine同时访问同一个共享变量，且至少有一个goroutine对该变量进行了写操作。如果在没有同步的情况下，多个goroutine对同一个变量进行读写操作，就会导致数据的不一致性，进而导致程序的不可预期的行为。

Golang提供了一些并发原语来避免数据竞争问题，其中最常用的是原子操作。本文将详细介绍Golang中的原子操作。

1.原子操作的概念

原子操作是指一组操作不可中断地执行，即使在并发执行的环境下，也不会出现数据竞争问题。原子操作一般由硬件提供原子级别的支持，也可以使用锁等同步机制来实现。

Golang中原子操作可以分为以下5种类型：

- Add：原子加操作。
- CompareAndSwap：原子比较并交换操作。
- Swap：原子交换操作。
- Load：原子加载操作。
- Store：原子存储操作。

2.原子操作的使用

使用原子操作需要引入sync/atomic包。其中Add、CompareAndSwap、Swap、Load和Store分别对应的函数为AddInt32、CompareAndSwapInt32、SwapInt32、LoadInt32和StoreInt32。这里以int32类型为例进行说明：

2.1 原子加操作

AddInt32函数用于对int32类型的变量进行原子加操作。

```
func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)
```

这个函数将参数delta加到参数addr中指定的变量中，并返回相加后的结果。该函数是一个原子操作，能够避免并发访问时的数据竞争问题。

```go
package main

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

func main() {
	var wg sync.WaitGroup
	var count int32 = 0
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		wg.Add(1)
		go func() {
			atomic.AddInt32(&count, 1)
			wg.Done()
		}()
	}
	wg.Wait()
	fmt.Printf("count:%d", count)
}
```

上面的代码中，我们使用AddInt32函数对count变量进行原子加操作，避免了多个goroutine同时修改count变量而带来的竞争问题。

2.2 原子比较并交换操作

CompareAndSwapInt32函数用于对int32类型的变量进行原子比较并交换操作。

```
func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)
```

该函数将参数old与addr指定的变量进行比较，如果相等就将addr中的值设置为new，并返回true，否则返回false。该函数同样是一个原子操作，能够避免并发访问时的数据竞争问题。

```go
package main

import (
	"fmt"
	"sync/atomic"
)

func main() {
	var count int32 = 0
	atomic.CompareAndSwapInt32(&count, 0, 1)
	fmt.Printf("count:%d", count)
}
```

上面的代码中，我们使用CompareAndSwapInt32函数对count变量进行原子比较并交换操作。如果count的值为0，则将其设置为1。由于该函数是一个原子操作，因此可以避免多个goroutine同时修改count变量而带来的竞争问题。

2.3 原子交换操作

SwapInt32函数用于对int32类型的变量进行原子交换操作。

```
func SwapInt32(addr *int32, new int32) (old int32)
```

该函数将addr指定的变量设置为new，并返回原来的值。该函数同样是一个原子操作，能够避免并发访问时的数据竞争问题。

```go
package main

import (
	"fmt"
	"sync/atomic"
)

func main() {
	var count int32 = 1
	old := atomic.SwapInt32(&count, 0)
	fmt.Printf("old:%d, count:%d", old, count)
}
```

上面的代码中，我们使用SwapInt32函数对count变量进行原子交换操作。该函数将count的值设置为0，并返回原来的值1。由于该函数是一个原子操作，因此可以避免多个goroutine同时修改count变量而带来的竞争问题。

2.4 原子加载操作

LoadInt32函数用于对int32类型的变量进行原子加载操作。

```
func LoadInt32(addr *int32) (val int32)
```

该函数将addr指定的变量读取出来，并返回读取的值。该函数同样是一个原子操作，能够避免并发访问时的数据竞争问题。

```go
package main

import (
	"fmt"
	"sync/atomic"
)

func main() {
	var count int32 = 1
	val := atomic.LoadInt32(&count)
	fmt.Printf("val:%d", val)
}
```

上面的代码中，我们使用LoadInt32函数对count变量进行原子加载操作。该函数读取count的值，并返回1。由于该函数是一个原子操作，因此可以避免多个goroutine同时修改count变量而带来的竞争问题。

2.5 原子存储操作

StoreInt32函数用于对int32类型的变量进行原子存储操作。

```
func StoreInt32(addr *int32, val int32)
```

该函数将val存储到addr指定的变量中。该函数同样是一个原子操作，能够避免并发访问时的数据竞争问题。

```go
package main

import (
	"fmt"
	"sync/atomic"
)

func main() {
	var count int32 = 1
	atomic.StoreInt32(&count, 0)
	fmt.Printf("count:%d", count)
}
```

上面的代码中，我们使用StoreInt32函数对count变量进行原子存储操作。该函数将count的值设置为0。由于该函数是一个原子操作，因此可以避免多个goroutine同时修改count变量而带来的竞争问题。

3.总结

在并发编程中，数据竞争是一个常见的问题，可能会导致程序的不可预期的行为。Golang提供了一些并发原语来避免数据竞争问题，其中最常用的是原子操作。原子操作是指一组操作不可中断地执行，即使在并发执行的环境下，也不会出现数据竞争问题。Golang中的原子操作可以分为Add、CompareAndSwap、Swap、Load和Store五种类型。通过使用原子操作，我们可以避免多个goroutine同时修改共享变量而带来的竞争问题。