本文我们详细聊一下Go语言的原子操作的用法，啥是原子操作呢？顾名思义，原子操作就是具备原子性的操作... 是不是感觉说了跟没说一样，原子性的解释如下：
一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不被中断的特性，称为原子性（atomicity） 。这些操作对外表现成一个不可分割的整体，他们要么都执行，要么都不执行，外界不会看到他们只执行到一半的状态。
CPU执行一系列操作时不可能不发生中断，但如果我们在执行多个操作时，能让他们的中间状态对外不可见，那我们就可以宣称他们拥有了"不可分割”的原子性。
类似的解释我们在数据库事务的ACID概念里也听过，只不过这里保障原子性的执行体是CPU。
Go 语言提供了哪些原子操作
Go语言通过内置包sync/atomic提供了对原子操作的支持，其提供的原子操作有以下几大类：
增减，操作方法的命名方式为AddXXXType，保证对操作数进行原子的增减，支持的类型为int32、int64、uint32、uint64、uintptr，使用时以实际类型替换前面我说的XXXType就是对应的操作方法。
载入，保证了读取到操作数前没有其他任务对它进行变更，操作方法的命名方式为LoadXXXType，支持的类型除了基础类型外还支持Pointer，也就是支持载入任何类型的指针。
存储，有载入了就必然有存储操作，这类操作的方法名以Store开头，支持的类型跟载入操作支持的那些一样。
比较并交换，也就是CAS （Compare And Swap），像Go的很多并发原语实现就是依赖的CAS操作，同样是支持上面列的那些类型。
交换，这个简单粗暴一些，不比较直接交换，这个操作很少会用。
互斥锁跟原子操作的区别
平日里，在并发编程里，Go语言sync包里的同步原语Mutex是我们经常用来保证并发安全的，那么他跟atomic包里的这些操作有啥区别呢？在我看来他们在使用目的和底层实现上都不一样：
使用目的：互斥锁是用来保护一段逻辑，原子操作用于对一个变量的更新保护。
底层实现：Mutex由操作系统的调度器实现，而atomic包中的原子操作则由底层硬件指令直接提供支持，这些指令在执行的过程中是不允许中断的，因此原子操作可以在lock-free的情况下保证并发安全，并且它的性能也能做到随CPU个数的增多而线性扩展。
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。
比如下面这个，使用互斥锁的并发计数器程序：
funcmutexAdd(){varaint32=0varwgsync.WaitGroupvarmusync.Mutexstart:=time.Now()fori:=0;i<100000000;i++{wg.Add(1)gofunc(){deferwg.Done()mu.Lock()a+=1mu.Unlock()}()}wg.Wait()timeSpends:=time.Now().Sub(start).Nanoseconds()fmt.Printf("usemutexais%d,spendtime:%v\n",a,timeSpends)}把Mutex改成用方法atomic.AddInt32(&a, 1)调用，在不加锁的情况下仍然能确保对变量递增的并发安全。
funcAtomicAdd(){varaint32=0varwgsync.WaitGroupstart:=time.Now()fori:=0;i<1000000;i++{wg.Add(1)gofunc(){deferwg.Done()atomic.AddInt32(&a,1)}()}wg.Wait()timeSpends:=time.Now().Sub(start).Nanoseconds()fmt.Printf("useatomicais%d,spendtime:%v\n",atomic.LoadInt32(&a),timeSpends)}可以在本地运行以上这两段代码，可以观察到计数器的结果都最后都是1000000，都是线程安全的。
需要注意的是，所有原子操作方法的被操作数形参必须是指针类型，通过指针变量可以获取被操作数在内存中的地址，从而施加特殊的CPU指令，确保同一时间只有一个goroutine能够进行操作。
上面的例子除了增加操作外我们还演示了载入操作，接下来我们来看一下CAS操作。
比较并交换
该操作简称CAS (Compare And Swap)。 这类操作的前缀为 CompareAndSwap :
funcCompareAndSwapInt32(addr*int32,old,newint32)(swappedbool)funcCompareAndSwapPointer(addr*unsafe.Pointer,old,newunsafe.Pointer)(swappedbool)
该操作在进行交换前首先确保被操作数的值未被更改，即仍然保存着参数 old 所记录的值，满足此前提条件下才进行交换操作。CAS的做法类似操作数据库时常见的乐观锁机制。
需要注意的是，当有大量的goroutine 对变量进行读写操作时，可能导致CAS操作无法成功，这时可以利用for循环多次尝试。
上面我只列出了比较典型的int32和unsafe.Pointer类型的CAS方法，主要是想说除了读数值类型进行比较交换，还支持对指针进行比较交换。
unsafe.Pointer提供了绕过Go语言指针类型限制的方法，unsafe指的并不是说不安全，而是说官方并不保证向后兼容。
//定义一个struct类型PtypePstruct{x,y,zint}//执行类型P的指针varpP*Pfuncmain(){//定义一个执行unsafe.Pointer值的指针变量varunsafe1=(*unsafe.Pointer)(unsafe.Pointer(&pP))//OldpointervarsyP//为了演示效果先将unsafe1设置成OldPointerpx:=atomic.SwapPointer(unsafe1,unsafe.Pointer(&sy))//执行CAS操作，交换成功，结果返回truey:=atomic.CompareAndSwapPointer(unsafe1,unsafe.Pointer(&sy),px)fmt.Println(y)}上面的示例并不是在并发环境下进行的CAS，只是为了演示效果，先把被操作数设置成了Old Pointer。
其实Mutex的底层实现也是依赖原子操作中的CAS实现的，原子操作的atomic包相当于是sync包里的那些同步原语的实现依赖。
比如互斥锁Mutex的结构里有一个state字段，其是表示锁状态的状态位。
typeMutexstruct{stateint32semauint32}为了方便理解，我们在这里将它的状态定义为0和1，0代表目前该锁空闲，1代表已被加锁，以下是sync.Mutex中Lock方法的部分实现代码。
func(m*Mutex)Lock(){//Fastpath:grabunlockedmutex.ifatomic.CompareAndSwapInt32(&m.state,0,mutexLocked){ifrace.Enabled{race.Acquire(unsafe.Pointer(m))}return}//Slowpath(outlinedsothatthefastpathcanbeinlined)m.lockSlow()}在atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked)中，m.state代表锁的状态，通过CAS方法，判断锁此时的状态是否空闲（m.state==0），是，则对其加锁（mutexLocked常量的值为1）。
atomic.Value保证任意值的读写安全
atomic包里提供了一套Store开头的方法，用来保证各种类型变量的并发写安全，避免其他操作读到了修改变量过程中的脏数据。
funcStoreInt32(addr*int32,valint32)funcStoreInt64(addr*int64,valint64)funcStorePointer(addr*unsafe.Pointer,valunsafe.Pointer)...
这些操作方法的定义与上面介绍的那些操作的方法类似，我就不再演示怎么使用这些方法了。
值得一提的是如果你想要并发安全的设置一个结构体的多个字段，除了把结构体转换为指针，通过StorePointer设置外，还可以使用atomic包后来引入的atomic.Value，它在底层为我们完成了从具体指针类型到unsafe.Pointer之间的转换。
有了atomic.Value后，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（中间状态对外不可见）。
atomic.Value类型对外暴露了两个方法：
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。
1.17 版本我看还增加了Swap和CompareAndSwap方法。
简洁的接口使得它的使用也很简单，只需将需要做并发保护的变量读取和赋值操作用Load()和Store()代替就行了。
由于Load()返回的是一个interface{}类型，所以在使用前我们记得要先转换成具体类型的值，再使用。下面是一个简单的例子演示atomic.Value的用法。
typeRectanglestruct{lengthintwidthint}varrectatomic.Valuefuncupdate(width,lengthint){rectLocal:=new(Rectangle)rectLocal.width=widthrectLocal.length=lengthrect.Store(rectLocal)}funcmain(){wg:=sync.WaitGroup{}wg.Add(10)//10个协程并发更新fori:=0;i<10;i++{gofunc(){deferwg.Done()update(i,i+5)}()}wg.Wait()_r:=rect.Load().(*Rectangle)fmt.Printf("rect.width=%d\nrect.length=%d\n",_r.width,_r.length)}你也可以试试，不用atomic.Value，直接给Rectange类型的指针变量赋值，看看在并发条件下，两个字段的值是不是能跟预期的一样变成10和15。
总结
本文详细介绍了Go语言原子操作atomic包中会被高频使用的操作的使用场景和用法，当然我并没有罗列atomic包里所有操作的用法，主要是考虑到有的用到的地方实在不多，或者是已经被更好的方式替代，还有就是觉得确实没必要，看完本文的内容相信你已经完全具备自行探索atomic包的能力了。
再强调一遍，原子操作由底层硬件支持，而锁则由操作系统的调度器实现。锁应当用来保护一段逻辑，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。
作者：kevinyan