Golang atomic.SwapUint64()函数及示例

在Golang中，atomic包提供了一些原子操作函数，可以安全地访问共享资源，其中就包括了SwapUint64()函数，该函数可以原子性地交换两个uint64类型的值。使用atomic.SwapUint64()函数可以避免在多线程中修改同一变量时出现竞争条件，保证数据的安全性和正确性。

atomic.SwapUint64()函数的使用方法

atomic.SwapUint64()函数定义如下：

func SwapUint64(addr *uint64, new uint64) (old uint64)

其中，addr为需要交换的uint64类型变量的指针，new为需要赋值的新的uint64类型的值，old则返回原来的uint64类型的值。

下面是一个简单的示例代码，演示了如何使用atomic.SwapUint64()函数：

package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

func main() {
    var num uint64 = 100
    fmt.Println("旧的值为：", num)

    newNum := uint64(200)
    oldNum := atomic.SwapUint64(&num, newNum)

    fmt.Println("新的值为：", num)
    fmt.Println("被替换的值为：", oldNum)
}

运行结果如下：

旧的值为： 100
新的值为： 200
被替换的值为： 100

在上面的代码中，我们定义了一个num变量，并初始化值为100。

在调用atomic.SwapUint64()函数时，需要传入num变量的指针，以及需要替换的新值200。

在执行完atomic.SwapUint64()函数后，num变量的值就被原子性地替换成了200，同时返回值oldNum为100，表示被替换的旧值。

使用atomic.SwapUint64()函数的应用场景

atomic.SwapUint64()函数的应用场景比较广泛，例如：

1. 实现计数器

在多线程环境下，使用atomic.SwapUint64()函数实现计数器可以保证数据的安全性和正确性。以下为示例代码：

package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

func main() {
    var counter uint64 = 0

    // 10个线程并发增加计数器
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            for j := 0; j < 100; j++ {
                atomic.SwapUint64(&counter, counter+1)
            }
        }()
    }

    // 打印最终的值
    fmt.Println("counter的值为：", counter)
}

在上面的示例代码中，我们定义了一个计数器counter，并初始化值为0。

在10个线程并发增加计数器的操作中，我们使用了atomic.SwapUint64()函数来保证所有线程之间对计数器的访问都是安全的。

最后，我们打印出counter的最终值，可以看到其结果为1000，表示该计数器已成功累加。

2. 实现无锁队列

在多线程环境下，实现无锁队列可减少锁的开销，同时也可以提高程序的性能。

以下为使用atomic.SwapUint64()函数实现的单向无锁队列的示例代码：

package main

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

type Node struct {
    value int
    next  unsafe.Pointer
}

type Queue struct {
    head unsafe.Pointer
    tail unsafe.Pointer
}

func NewNode(val int) *Node {
    return &Node{
        value: val,
        next:  nil,
    }
}

func NewQueue() *Queue {
    node := unsafe.Pointer(NewNode(0))
    return &Queue{
        head: node,
        tail: node,
    }
}

func (q *Queue) Enqueue(val int) {
    node := NewNode(val)
    oldTail := atomic.SwapPointer(&q.tail, unsafe.Pointer(node))

    // 将新节点插入到队列尾部
    oldTailNode := (*Node)(oldTail)
    oldTailNode.next = unsafe.Pointer(node)
}

func (q *Queue) Dequeue() int {
    for {
        // 获取队列头节点
        oldHead := atomic.LoadPointer(&q.head)
        headNode := (*Node)(oldHead)
        oldTail := atomic.LoadPointer(&q.tail)
        tailNode := (*Node)(oldTail)

        // 如果头节点和尾节点相同，说明队列为空
        if oldHead == oldTail {
            // 队列为空
            return -1
        }

        // 如果头节点和尾节点不同，则尝试弹出头节点
        next := atomic.LoadPointer(&headNode.next)
        if oldHead == atomic.LoadPointer(&q.head) {
            if next != nil {
                // 弹出头节点，并将头指针指向下一个节点
                atomic.CompareAndSwapPointer(&q.head, oldHead, next)
                return headNode.value
            }

            // 如果头节点的next指针为空，则尝试将尾指针指向下一个节点
            if tailNode != headNode {
                atomic.CompareAndSwapPointer(&q.tail, oldTail, next)
            }
        }
    }
}

func main() {
    q := NewQueue()

    // 入队操作
    q.Enqueue(1)
    q.Enqueue(2)
    q.Enqueue(3)
    q.Enqueue(4)

    // 出队操作
    fmt.Println(q.Dequeue())
    fmt.Println(q.Dequeue())
    fmt.Println(q.Dequeue())
    fmt.Println(q.Dequeue())
    fmt.Println(q.Dequeue())
}

在上面的示例代码中，我们定义了一个Node和Queue结构体，其中Node表示队列中的节点，Queue表示队列。

在使用atomic.SwapPointer()函数实现入队操作中，我们先将新节点的指针替换到尾指针tail中，使其指向新节点，然后再将旧的尾指针oldTail作为指针类型转换成Node类型，并将next指针指向新节点，这样就完成了新节点的插入操作。

在使用atomic.LoadPointer()和atomic.CompareAndSwapPointer()函数实现出队操作中，我们通过循环来保证线程安全，首先获取头、尾节点指针，然后判断队列是否为空，如果不为空，则尝试弹出头节点，如果头节点的next指针为空，则尝试将尾节点的指针指向下一个节点，最后返回弹出节点的值。

最终输出如下：