Go 的 Atomic.Value 为什么不加锁也能保证数据线程安全？

时间：2022-06-01 18:41:20

Go 的 Atomic.Value 为什么不加锁也能保证数据线程安全？

有些朋友可能没有注意过，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，因为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，如下图所示：

Go 的 Atomic.Value 为什么不加锁也能保证数据线程安全？

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登场了，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。

之前我在文章Golang 五种原子性操作的用法详解里，详细介绍过它的用法，下面我们先来快速回顾一下atomic.Value的使用方式

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。

  1. type Rectangle struct {
  2. length int
  3. width int
  4. }
  6. var rect atomic.Value
  8. func update(width, length int) {
  9. rectLocal := new(Rectangle)
  10. rectLocal.width = width
  11. rectLocal.length = length
  12. rect.Store(rectLocal)
  13. }
  15. func main() {
  16. wg := sync.WaitGroup{}
  17. wg.Add(10)
  18. // 10 个协程并发更新
  19. for i := 0; i < 10; i++ {
  20. go func() {
  21. defer wg.Done()
  22. update(i, i+5)
  23. }()
  24. }
  25. wg.Wait()
  26. _r := rect.Load().(*Rectangle)
  27. fmt.Printf("rect.width=%d\nrect.length=%d\n", _r.width, _r.length)
  28. }

你也可以试试，不用atomic.Value，直接给Rectange类型的指针变量赋值，对比一下两者结果的区别。

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。

  1. type Value struct {
  3. v interface{}
  5. }

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)。

  1. // ifaceWords is interface{} internal representation.
  2. type ifaceWords struct {
  3. typ unsafe.Pointer
  4. data unsafe.Pointer
  5. }

写入线程安全的保证

在介绍写入之前，我们先来看一下 Go 语言内部的unsafe.Pointer类型。

unsafe.Pointer

出于安全考虑，Go 语言并不支持直接操作内存，但它的标准库中又提供一种不安全(不保证向后兼容性) 的指针类型unsafe.Pointer，让程序可以灵活的操作内存。

unsafe.Pointer的特别之处在于，它可以绕过 Go 语言类型系统的检查，与任意的指针类型互相转换。也就是说，如果两种类型具有相同的内存结构(layout)，我们可以将unsafe.Pointer当做桥梁，让这两种类型的指针相互转换，从而实现同一份内存拥有两种不同的解读方式。

比如说，[]byte和string其实内部的存储结构都是一样的，他们在运行时类型分别表示为reflect.SliceHeader和reflect.StringHeader

  1. type SliceHeader struct {
  2. Data uintptr
  3. Len int
  4. Cap int
  5. }
  7. type StringHeader struct {
  8. Data uintptr
  9. Len int
  10. }

但 Go 语言的类型系统禁止他俩互换。如果借助unsafe.Pointer，我们就可以实现在零拷贝的情况下，将[]byte数组直接转换成string类型。

  1. bytes := []byte{104, 101, 108, 108, 111}
  3. p := unsafe.Pointer(&bytes) //将 *[]byte 指针强制转换成unsafe.Pointer
  4. str := *(*string)(p) //将 unsafe.Pointer再转换成string类型的指针，再将这个指针的值当做string类型取出来
  5. fmt.Println(str) //输出 "hello"

知道了unsafe.Pointer的作用，我们可以直接来看代码了：

  1. func (v *Value) Store(x interface{}) {
  2. if x == nil {
  3. panic("sync/atomic: store of nil value into Value")
  4. }
  5. vp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(v)) // Old value
  6. xp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(&x)) // New value
  7. for {
  8. typ := LoadPointer(&vp.typ)
  9. if typ == nil {
  10. // Attempt to start first store.
  11. // Disable preemption so that other goroutines can use
  12. // active spin wait to wait for completion; and so that
  13. // GC does not see the fake type accidentally.
  14. runtime_procPin()
  15. if !CompareAndSwapPointer(&vp.typ, nil, unsafe.Pointer(^uintptr(0))) {
  16. runtime_procUnpin()
  17. continue
  18. }
  19. // Complete first store.
  20. StorePointer(&vp.data, xp.data)
  21. StorePointer(&vp.typ, xp.typ)
  22. runtime_procUnpin()
  23. return
  24. }
  25. if uintptr(typ) == ^uintptr(0) {
  26. // First store in progress. Wait.
  27. // Since we disable preemption around the first store,
  28. // we can wait with active spinning.
  29. continue
  30. }
  31. // First store completed. Check type and overwrite data.
  32. if typ != xp.typ {
  33. panic("sync/atomic: store of inconsistently typed value into Value")
  34. }
  35. StorePointer(&vp.data, xp.data)
  36. return
  37. }
  38. }

大概的逻辑：

  • 通过unsafe.Pointer将现有的和要写入的值分别转成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)。
  • 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字段会被设置为指针的零值 nil，所以先判断如果typ是nil 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打断，以便可以尽快地完成工作，因为别人一直在等待它。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)。
  • 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。
  • 如果设置成功，那证明当前线程抢到了这个"乐观锁”，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：

  1. func (v *Value) Load() (x interface{}) {
  2. vp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(v))
  3. typ := LoadPointer(&vp.typ)
  4. if typ == nil || uintptr(typ) == ^uintptr(0) {
  5. // First store not yet completed.
  6. return nil
  7. }
  8. data := LoadPointer(&vp.data)
  9. xp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(&x))
  10. xp.typ = typ
  11. xp.data = data
  12. return
  13. }

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。

总结

本文由浅入深的介绍了atomic.Value的使用姿势，以及内部实现。让大家不仅知其然，还能知其所以然。

另外，原子操作由底层硬件支持，对于一个变量更新的保护，原子操作通常会更有效率，并且更能利用计算机多核的优势，如果要更新的是一个复合对象，则应当使用atomic.Value封装好的实现。

而我们做并发同步控制常用到的Mutex锁，则是由操作系统的调度器实现，锁应当用来保护一段逻辑。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/GFJO03DFNy8O3HcMeEhT6g

标签：

相关文章