Golang 状态的原子操作

干饭杂记

已于 2025-03-12 12:44:13 修改

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文章标签： golang 开发语言后端

于 2025-03-12 12:39:08 首次发布

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Golang 状态的原子操作

在处理状态的切换处理时为了多线程安全一般会用原子操作实现，这里记录下使用的情况。

1. 在只处理状态量时原子操作对比锁操作

只有单个状态量，原子操作比锁更简洁高效
使用原子操作也不会影响到其他线程
原子操作限制只有一些基本的加减、比较交换，不过针对状态型变量已经够了

2. Golang 原子操作

2.1 CompareAndSwap 方法 ChatGpt 讲解

CompareAndSwap（CAS）是一个常见的原子操作，常用于实现无锁（lock-free）数据结构。CAS 通过比较当前值和预期值，来决定是否更新某个变量。这个操作通常涉及三个参数：

CompareAndSwap(address, expected, new)

参数解释
address：要操作的内存地址，指向需要修改的值。
expected（old）：期望的旧值，表示你“希望”当前值是的值。
new：想要设置的新值。
工作原理
CAS 读取 address 的当前值。
如果当前值与 expected 相等，则将其更新为 new，返回 true（表示成功）。
如果当前值与 expected 不相等，表示在这个操作期间其他线程修改了该值，CAS 操作会失败，返回 false（表示失败）。

示例（伪代码）

// 期望值 old 是 100
// 如果当前值是 100，就更新为 200
if (CompareAndSwap(address, 100, 200)) {
    // 更新成功
    System.out.println("Value updated!");
} else {
    // 更新失败（说明其他线程已修改）
    System.out.println("Update failed!");
}

3. 原子实操分析

情景 1 Tcp 连接状态管理

func (t *TcpConn) Close() {
    if t.isClosed.CompareAndSwap(false, true) { // CAS 检查并设置关闭状态
       t.cancel() // 取消关联的上下文（context）
       t.Conn.Close() // 真正关闭 TCP 连接
       go t.OnDisconnect.RiseEvent(nil) // 异步触发断开事件
    }
}

这里 Close 连接的时候只希望执行关闭操作一次，所以拿 IsClosed 【atomic.bool】作为该状态量，Close 时比对是否连接已经关闭过了（==false），如果没有关闭过(!=false)，才会（Swap 该变量到 True）即执行触发条件执行一系列动作。可以设想下多线程执行 Close 方法情况，在 CompareAndSwap 时都会先去比对 false,一个执行成功，其他就不会成功啦！

对比下原写法

func (t *TcpConn) Close() {
    isClosed := t.isClosed.Load()
    if t.isClosed.CompareAndSwap(isClosed, true) {
        //一系列动作
    } 
}

这里先读取了下 isClosed 状态，然后再次进行 CAS 操作，这个也是线程安全的，对比上面写法可以看出不够简洁

情景 2 设备在线离线状态管理

func (d *Device) SetOnline(value int32) {
    old := atomic.SwapInt32(&d.IsOnline, value)
    if value != old {
       db.sqlUpdateDeviceOnOffline(d.Sn, value)
       //进行上线告警
       //存储下线位置
       ...
    }
}

这里得到了最新在线离线状态输入到 SetOnline 后进行判断最新在线状态是否和当前状态不一致，即设备切到了上线状态、设备切换到了离线状态，如果发生了状态切换则会进行数据库状态更新、上下线告警等等

在这个场景下使用 isOnline 为【int32】,atomic.SwapInt32 为原子操作修改在线状态为最新状态，得到 old 状态，比对最新状态和 old 状态，如果不等即发生了状态变化

其他写法

使用 atomic.LoadInt32 + CompareAndSwapInt32

func (d *Device) SetOnline(value int32) {
    old := atomic.LoadInt32(&d.IsOnline) // 用原子操作读取当前值
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&d.IsOnline, old, value) {
        log.Printf("Device state changed: %d -> %d", old, value)
        //...........
    }
}

这个也是线程安全的

错误写法

func (d *Device) SetOnline(value int32) {
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&d.IsOnline, d.IsOnline, value) {//d.IsOnline为普通读取
        // 状态更新成功
    }
}

func (d *Device) GetOnline(){
    return d.IsOnline //d.IsOnline为普通读取
}

d.IsOnline 读取非原子操作，使用非原子读和原子操作写在并发情况下可能会造成线程安全问题，即

线程 A 开始原子修改 IsOnline 的值。

线程 B 在 SetOnline(1) 执行到一半时，读取 IsOnline 的值。

由于 d.IsOnline 为直接读取而不是通过原子操作，可能读取到部分修改的值或不一致的状态

情景 3 客户端管理

func (n *Hub) AddClient(new *Client) {
    logger.Info("hub新增加客户端", zap.String("clientId", new.ClientId))
    if pre, ok := n.clients.Swap(new.ClientId, new); ok {
       logger.Error(fmt.Sprintf("clientId【%v】已连接,关闭旧连接", new.ClientId))
       pre.(*Client).Dispose()
    }
    new.OnDispose.AddEventListener(func(data interface{}) {
       if n.clients.CompareAndDelete(new.ClientId, new) {
          logger.Info("hub移除客户端", zap.String("clientId", new.ClientId))
   }
})

clients 为【sync.map】

if pre, ok := n.clients.Swap(new.ClientId, new); ok {

这里使用 Swap 操作得到和新 client 冲突的 client，如果存在则进行释放

n.clients.CompareAndDelete(new.ClientId, new)

在触发 Client 释放事件时，这里使用 CompareAndDelete 操作比对存储的 Clients 里是否还是自己，如果是自己则进行移除操作