Golang atomic.CompareAndSwapUintptr()函数及其例子

在Go语言中，我们常常需要实现多个协程对同一个变量的原子操作。不同于使用锁来处理并发问题，Go语言中提供了一系列原子操作函数，其中之一便是 atomic.CompareAndSwapUintptr()。

什么是atomic.CompareAndSwapUintptr()？

atomic.CompareAndSwapUintptr() 是 Go 标准库中提供的原子操作函数之一，用来原子地比较并交换指针。其详细定义如下：

func CompareAndSwapUintptr(addr *uintptr, old, new uintptr) (swapped bool)

这个函数接受三个参数，分别是待操作的指针、旧值和新值。函数会比较该指针地址下的值和给定的旧值是否相同，若相同则将该指针地址下的值替换为新值，返回 true；否则返回 false。在这个过程中，该操作是原子的，意味着在并发访问下不会出现竞态问题。

为什么我们需要atomic.CompareAndSwapUintptr()？

主要是在模仿一些类型，他们可以通过直接使用CPU指令实现高效和安全的更新，而无需获得锁定等并发控制手段。例如，Google的开源Raft库提供了一些轻量级的原子操作类型。 C++ 的 STL 和 Java 11 的标准库都提供了用于原子无锁编程的数据类型。

让我们来看一个小例子。以下代码将在两个协程之间共享同一个变量 counter，并使用 atomic.CompareAndSwapUintptr()函数来在它们之间进行原子操作。

package main

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

func main() {
    var counter uintptr
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)
    go func() {
        defer wg.Done()
        for i := 0; i < 10000; i++ {
            atomic.CompareAndSwapUintptr(&counter, uintptr(i), uintptr(i+1))
            time.Sleep(time.Microsecond)
        }
    }()
    go func() {
        defer wg.Done()
        for i := 0; i < 10000; i++ {
            atomic.CompareAndSwapUintptr(&counter, uintptr(i+1), uintptr(i+2))
            time.Sleep(time.Microsecond)
        }
    }()
    wg.Wait()
    fmt.Println("Final value of counter:", counter)
}

这个例子中，我们使用了两个协程来对 counter 变量进行使用。第一个协程在每个循环中将 counter的值从 i 更改为 i+1；而第二个协程则将该值从 i+1 更改为 i+2。另外，我们的两个协程都暂停了1微秒，并且在最后打印了 counter 变量的最终值。

注意，我们将 counter 变量声明为 uintptr 类型。这是因为 atomic.CompareAndSwapUintptr() 函数仅支持操作指针类型，而我们不希望将 counter 声明为一个指针变量。

原理

atomic.CompareAndSwapUintptr() 函数是如何实现的呢？简单来说，它主要使用了 CPU 指令提供的有关原子操作的特殊指令。实现为以下代码块：

extern bool CAS_U(uintptr_t &dest,uintptr_t old_value,uintptr_t new_value);

bool CompareAndSwapUintptr(uintptr_t* ptr,uintptr_t expected,uintptr_t new_value){
  return CAS_U(*ptr,expected,new_value);
}

在 x86-64 处理器中，为实现 Compare-and-swap 操作，需要使用 CMPXCHG16B 指令。该指令可以比较并交换一个长度为16字节的内存位置。对于 uintptr 类型，它占用的字节数为 8 字节，因此我们可以直接使用 CMPXCHG8B 指令代替 CMPXCHG16B 指令。