Go语言atomic.Value如何不加锁保证数据线程安全？

引言

很多人可能没有注意过，在 Go（甚至是大部分语言）中，一条普通的赋值语句其实不是一个原子操作。例如，在32位机器上写int64类型的变量就会有中间状态，它会被拆成两次写操作（汇编的MOV指令）——写低 32 位和写高 32 位。32机器上对int64进行赋值

如果一个线程刚写完低32位，还没来得及写高32位时，另一个线程读取了这个变量，那它得到的就是一个毫无逻辑的中间变量，这很有可能使我们的程序出现Bug。

这还只是一个基础类型，如果我们对一个结构体进行赋值，那它出现并发问题的概率就更高了。很可能写线程刚写完一小半的字段，读线程就来读取这个变量，那么就只能读到仅修改了一部分的值。这显然破坏了变量的完整性，读出来的值也是完全错误的。

面对这种多线程下变量的读写问题，Go给出的解决方案是atomic.Value，它使得我们可以不依赖于不保证兼容性的unsafe.Pointer类型，同时又能将任意数据类型的读写操作封装成原子性操作。

atomic.Value的使用方式

atomic.Value类型对外提供了两个读写方法：

• v.Store(c) - 写操作，将原始的变量c存放到一个atomic.Value类型的v里。

• c := v.Load() - 读操作，从内存中线程安全的v中读取上一步存放的内容。

下面是一个简单的例子演示atomic.Value的用法。

type Rectangle struct {
length int
width  int
}
var rect atomic.Value
func update(width, length int) {
rectLocal := new(Rectangle)
rectLocal.width = width
rectLocal.length = length
rect.Store(rectLocal)
}
func main() {
wg := sync.WaitGroup{}
wg.Add(10)
// 10 个协程并发更新
for i := 0; i < 10; i++ {
go func(i int) {
defer wg.Done()
update(i, i+5)
}(i)
}
wg.Wait()
r := rect.Load().(*Rectangle)
fmt.Printf("rect.width=％d\nrect.length=％d\n", r.width, r.length)
}

你可能会好奇，为什么atomic.Value在不加锁的情况下就提供了读写变量的线程安全保证，接下来我们就一起看看其内部实现。

atomic.Value的内部实现

atomic.Value被设计用来存储任意类型的数据，所以它内部的字段是一个interface{}类型。

// A Value provides an atomic load and store of a consistently typed value.
// The zero value for a Value returns nil from Load.
// Once Store has been called, a Value must not be copied.
//
// A Value must not be copied after first use.
type Value struct {
v interface{}
}

除了Value外，atomic包内部定义了一个ifaceWords类型，这其实是interface{}的内部表示 (runtime.eface)，它的作用是将interface{}类型分解，得到其原始类型（typ）和真正的值（data）。

// ifaceWords is interface{} internal representation.
type ifaceWords struct {
typ  unsafe.Pointer
data unsafe.Pointer
}

写入线程安全的保证

直接来看代码

// Store sets the value of the Value to x.
// All calls to Store for a given Value must use values of the same concrete type.
// Store of an inconsistent type panics, as does Store(nil).
func (v *Value) Store(val interface{}) {
if val == nil {
panic("sync/atomic: store of nil value into Value")
}
   // 通过unsafe.Pointer将现有的(v)和要写入的值(val) 分别转成ifaceWords类型。
   // 这样我们下一步就可以得到这两个interface{}的原始类型（typ）和真正的值（data）。
vp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(v))
vlp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(&val))
for {
typ := LoadPointer(&vp.typ)
if typ == nil {
// Attempt to start first store.
// Disable preemption so that other goroutines can use
// active spin wait to wait for completion; and so that
// GC does not see the fake type accidentally.
runtime_procPin()
if !CompareAndSwapPointer(&vp.typ, nil, unsafe.Pointer(^uintptr(0))) {
runtime_procUnpin()
continue
}
// Complete first store.
StorePointer(&vp.data, vlp.data)
StorePointer(&vp.typ, vlp.typ)
runtime_procUnpin()
return
}
if uintptr(typ) == ^uintptr(0) {
// First store in progress. Wait.
// Since we disable preemption around the first store,
// we can wait with active spinning.
continue
}
// First store completed. Check type and overwrite data.
if typ != vlp.typ {
panic("sync/atomic: store of inconsistently typed value into Value")
}
StorePointer(&vp.data, vlp.data)
return
}
}

大概的逻辑：

• 开始就是一个无限 for 循环。配合CompareAndSwap使用，可以达到乐观锁的效果。

• 通过LoadPointer这个原子操作拿到当前Value中存储的类型。下面根据这个类型的不同，分3种情况处理。

• 第一次写入

  一个atomic.Value实例被初始化后，它的typ和data字段会被设置为指针的零值 nil，所以先判断如果typ是否为nil，如果是那就证明这个Value实例还未被写入过数据。那之后就是一段初始写入的操作：

• runtime_procPin()这是runtime中的一段函数，一方面它禁止了调度器对当前 goroutine 的抢占（preemption），使得它在执行当前逻辑的时候不被其他goroutine打断，以便可以尽快地完成工作。另一方面，在禁止抢占期间，GC 线程也无法被启用，这样可以防止 GC 线程看到一个莫名其妙的指向^uintptr(0)的类型（这是赋值过程中的中间状态）。

  1）使用CAS操作，先尝试将typ设置为^uintptr(0)这个中间状态。如果失败，则证明已经有别的线程抢先完成了赋值操作，那它就解除抢占锁，然后重新回到 for 循环第一步。

  2）如果设置成功，那证明当前线程抢到了这个"乐观锁&rdquo;，它可以安全的把v设为传入的新值了。注意，这里是先写data字段，然后再写typ字段。因为我们是以typ字段的值作为写入完成与否的判断依据的

• 第一次写入还未完成

  如果看到typ字段还是^uintptr(0)这个中间类型，证明刚刚的第一次写入还没有完成，所以它会继续循环，一直等到第一次写入完成。

• 第一次写入已完成

  首先检查上一次写入的类型与这一次要写入的类型是否一致，如果不一致则抛出异常。反之，则直接把这一次要写入的值写入到data字段。

这个逻辑的主要思想就是，为了完成多个字段的原子性写入，我们可以抓住其中的一个字段，以它的状态来标志整个原子写入的状态。

读取（Load）操作

先上代码：

// Load returns the value set by the most recent Store.
// It returns nil if there has been no call to Store for this Value.
func (v *Value) Load() (val interface{}) {
vp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(v))
typ := LoadPointer(&vp.typ)
if typ == nil || uintptr(typ) == ^uintptr(0) {
// First store not yet completed.
return nil
}
data := LoadPointer(&vp.data)
vlp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(&val))
vlp.typ = typ
vlp.data = data
return
}

读取相对就简单很多了，它有两个分支：

• 如果当前的typ是 nil 或者^uintptr(0)，那就证明第一次写入还没有开始，或者还没完成，那就直接返回 nil （不对外暴露中间状态）。

• 否则，根据当前看到的typ和data构造出一个新的interface{}返回出去。

来源：https://juejin.cn/post/7231806462752751677