Golang atomic.CompareAndSwapPointer() 函数的应用及示例

高并发是Golang最擅长于处理的一个领域。当在多协程运行时，必须保证它们能够协同工作，而不会互相干扰。那么，原子操作是非常重要的一个概念。 atomic 包提供了原子操作的实现。在此，我们来看看它的一个函数——atomic.CompareAndSwapPointer()的详细应用及示例。

atomic.CompareAndSwapPointer() 是什么？

atomic.CompareAndSwapPointer() 函数用于原子操作一个指针。它能够比较 old 和指针的值，如果相等则用 new 替换原来的值。

func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool)

其中，addr 是要操作的指针的地址，old 是要比较的原值，new 是新值，如果操作成功，则返回 true，反之则返回 false。

atomic.CompareAndSwapPointer() 示例

下面以示例来演示 atomic.CompareAndSwapPointer() 的使用方式。这个示例会创建一个队列，然后接受并行请求，要求队列为空，如果成功，则将其添加到队列中。注意，由于请求是并行执行，则必须使用原子比较和交换操作来确保队列表示正确性。

package main

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

type Node struct {
    value string
    next *Node
}

type Queue struct {
    head *Node
    tail *Node
}

//初始化队列
func NewQueue() *Queue {
    node := &Node{value:"",next:nil}
    return &Queue{head:node,tail:node}
}

//添加新元素到队列尾部
func (q *Queue) Enqueue(v string) {
    node := &Node{value:v,next:nil}
    for {
        tail := q.tail
        next := tail.next
        if tail == q.tail {
            if next == nil {
                if atomic.CompareAndSwapPointer(
                    (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&tail.next)),
                    unsafe.Pointer(next),
                    unsafe.Pointer(node),
                ) {
                    //开销极小，更新tail
                    atomic.CompareAndSwapPointer(
                        (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&q.tail)),
                        unsafe.Pointer(tail),
                        unsafe.Pointer(node),
                    )
                    return
                }
            } else {
                //有其他协程已经更新了tail
                atomic.CompareAndSwapPointer(
                    (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&q.tail)),
                    unsafe.Pointer(tail),
                    unsafe.Pointer(next),
                )
            }
        }
    }
}

//删除队列头的元素
func (q *Queue) Dequeue() (string, bool) {
    for {
        head := q.head
        tail := q.tail
        next := head.next
        if head == q.head {
            if head == tail {
                if next == nil {
                    return "", false
                }
                atomic.CompareAndSwapPointer(
                    (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&q.tail)),
                    unsafe.Pointer(tail),
                    unsafe.Pointer(next),
                )
            } else {
                value := next.value
                if atomic.CompareAndSwapPointer(
                    (*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&q.head)),
                    unsafe.Pointer(head),
                    unsafe.Pointer(next),
                ) {
                    return value, true
                }
            }
        }
    }
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    q := NewQueue()
    for i:=0; i<100; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(idx int) {
            for j:=0; j<100; j++ {
                q.Enqueue(fmt.Sprintf("%d-%d", idx, j))
            }
            wg.Done()
        }(i)
    }

    wg.Wait()
    for {
        value, ok := q.Dequeue()
        if !ok {
            break
        }
        fmt.Println(value)
    }
    fmt.Println("Done")
}

值得注意的是，这里使用 atomic.CompareAndSwapPointer() 函数进行指针操作的原因是，它能够确保操作的原子性。由于多个协程同时访问同一内存地址时可能会导致不可预测的结果，因此，通过原子操作，可以避免此类问题的出现。

结论

在使用协程时，保证数据的正确性非常关键。 atomic 包提供了原子操作的实现，其中 atomic.CompareAndSwapPointer() 函数用于原子操作一个指针。通过示例可知，正确使用此函数可以保证协程间的数据交换和处理是安全、精确的。因此，在基于 Golang 进行高并发应用开发时，该函数是非常重要的一个工具。