面试题：Go语言中原子操作如何保证数据一致性

Question

在Go语言中，简述原子操作是如何确保多线程环境下数据一致性的，举例说明`atomic`包中常用的原子操作函数及其适用场景。

Answer 1

原子操作确保多线程环境下数据一致性的原理

在Go语言中，原子操作是由底层硬件和操作系统支持的不可分割的操作。在多线程环境下，多个线程可能同时访问和修改共享数据，这会导致数据竞争和不一致问题。原子操作通过保证操作的原子性，即操作在执行过程中不会被其他线程中断，从而确保数据一致性。

atomic包中常用的原子操作函数及其适用场景

1. atomic.AddInt64
   • 函数签名：func AddInt64(addr *int64, delta int64) (new int64)
   • 适用场景：用于在多线程环境下安全地对int64类型的共享变量进行加法操作。例如，在实现计数器时，如果多个线程可能同时对计数器进行增加操作，使用atomic.AddInt64可以避免数据竞争。
   • 示例代码：

package main

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

func main() {
    var counter int64
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            atomic.AddInt64(&counter, 1)
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println("Final counter value:", atomic.LoadInt64(&counter))
}

2. atomic.CompareAndSwapInt64
   • 函数签名：func CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64) (swapped bool)
   • 适用场景：用于实现乐观锁。只有当共享变量addr的值等于old时，才将其值更新为new，并返回true，否则返回false。常用于多线程环境下需要根据某个条件更新共享变量的场景。
   • 示例代码：

package main

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

func main() {
    var value int64 = 10
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            success := atomic.CompareAndSwapInt64(&value, 10, 20)
            if success {
                fmt.Println("Value successfully updated")
            } else {
                fmt.Println("Value was not updated")
            }
        }()
    }
    wg.Wait()
}

3. atomic.LoadInt64
   • 函数签名：func LoadInt64(addr *int64) (val int64)
   • 适用场景：用于在多线程环境下安全地读取int64类型的共享变量。确保读取操作不会受到其他线程写操作的干扰。
   • 示例代码：

package main

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

func main() {
    var data int64 = 42
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 3; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            value := atomic.LoadInt64(&data)
            fmt.Println("Read value:", value)
        }()
    }
    wg.Wait()
}

4. atomic.StoreInt64
   • 函数签名：func StoreInt64(addr *int64, val int64)
   • 适用场景：用于在多线程环境下安全地存储int64类型的值到共享变量。确保存储操作不会被其他线程干扰。
   • 示例代码：

package main

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

func main() {
    var data int64
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 3; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            atomic.StoreInt64(&data, int64(i*10))
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println("Final stored value:", atomic.LoadInt64(&data))
}