Go语言并发编程之原子操作（深入理解内存屏障与atomic包）

什么是原子操作？

原子操作是指在执行过程中不会被其他 Goroutine 中断的操作。例如，对一个整数进行“读-改-写”操作（如 i++），在普通情况下可能被拆分为多个 CPU 指令，中间可能被其他 Goroutine 插入执行，导致结果错误。而使用原子操作，可以确保整个操作是不可分割的。

Go 语言通过标准库 sync/atomic 包提供了一系列原子操作函数，比如 AddInt64、LoadUint32、CompareAndSwap 等。

为什么需要内存屏障？

即使使用了原子操作，现代 CPU 和编译器为了优化性能，可能会对指令进行重排序（reordering）。这可能导致看似正确的代码在多核环境下出现意想不到的结果。

例如：

// Goroutine Aa = 1ready = true// Goroutine Bif ready {    print(a)}

理论上，如果 ready 为 true，那么 a 应该是 1。但由于 CPU 或编译器重排序，Goroutine A 可能先执行 ready = true，再执行 a = 1。这时 Goroutine B 可能读到 ready == true 但 a == 0！

为了解决这个问题，就需要 内存屏障（也叫内存栅栏）来限制指令重排序，确保某些操作的顺序性。

Go 中的原子操作如何保证内存顺序？

Go 的 sync/atomic 包中的原子操作不仅保证操作的原子性，还隐式地插入了内存屏障，以确保内存可见性和顺序一致性。

例如，atomic.StoreInt64 是一个“释放”（release）操作，它确保在它之前的内存写入对其他 Goroutine 在 atomic.LoadInt64（“获取” acquire 操作）之后可见。

实战：使用 atomic 实现线程安全计数器

下面是一个使用 atomic.AddInt64 实现并发安全计数器的例子：

package mainimport (	"fmt"	"sync"	"sync/atomic")func main() {	var counter int64	var wg sync.WaitGroup	for i := 0; i < 100; i++ {		wg.Add(1)		go func() {			defer wg.Done()			atomic.AddInt64(&counter, 1)		}()	}	wg.Wait()	fmt.Println("Final counter:", counter) // 输出: Final counter: 100}

在这个例子中，100 个 Goroutine 并发地对 counter 执行 +1 操作。由于使用了 atomic.AddInt64，最终结果一定是 100，不会有数据竞争。

常见原子操作函数一览

• atomic.LoadInt64(addr *int64)：原子读取
• atomic.StoreInt64(addr *int64, val int64)：原子写入
• atomic.AddInt64(addr *int64, delta int64)：原子加法
• atomic.CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64)：CAS（比较并交换）

这些函数都适用于 int32、int64、uint32、uint64、uintptr 以及指针类型。

总结

在 Go语言并发编程 中，合理使用 原子操作 可以避免锁带来的性能开销，同时保证数据一致性。而这一切的背后，离不开 内存屏障 对内存顺序的保障。掌握 sync/atomic 包的使用，是编写高性能并发程序的重要一步。

记住：当你的场景是简单的数值操作（如计数器、标志位）时，优先考虑 atomic包；复杂逻辑仍需使用 Mutex 或 Channel。