前言
在并发编程中，确保数据的一致性和程序的正确性始终是开发者面临的重大挑战。Go语言以其独特的并发模型——协程（Goroutine）和通道（Channel），为开发者提供了强大的并发编程工具。
然而，仅仅依靠协程和通道还不足以解决所有并发问题，特别是在需要精细控制资源访问和数据一致性的场景下。这时，Atomic操作和sema锁（信号量锁）便成为了Go并发编程中不可或缺的一部分。
例如，在使用Go语言开发业务的过程中，我们常常会使用到sync包下面的Mutex和RWMutex来对我们的业务逻辑加锁。实际上，互斥锁和读写锁底层都依赖于我们下面要讲的两项技术，即Atomic操作和sema锁。
Atomic操作
Atomic操作，顾名思义，是指在执行过程中不可分割的操作。在多线程或多协程环境下，对共享资源的访问必须确保原子性，以避免数据竞争和不一致性问题。Go语言通过标准库中的sync/atomic包提供了一系列原子操作函数，这些函数能够确保在并发环境中对特定变量的读取和写入是安全的。
最典型的案例就是开多个协程并发多一个全局变量自增，结果是永远是达不到预期效果的，原因是这些对全局资源的操作都不是原子性操作，往往要经过内存读取、操作、写回内存这三个步骤。如果我们要让效果达到预期，就需要使用atomic包下的方法。
atomic包提供了许多好用的Api，这里我们介绍常见的几个：
- 变量原子性增减：可以使用如
atomic.AddInt32(指针,要添加的值)这个Api进行操作。 CAS操作：CAS操作即compareAndSwap，可以传入old value和new value，如果值等于old value，就设置为new value。LoadInt64：加载内存的时候加锁，防止变量的二进制位被其它协程修改。
Atomic的底层原理：硬件锁
Go语言中，Atomic操作的本质是一种硬件层面加锁的机制，可以保证操作一个变量的时候，其它协程和线程是无法访问的。不过，这种原子操作只能用于简单变量的简单操作。
我们可以查看一下atomic.AddInt32的底层实现，发现Go代码只有声明，说明底层应该是使用汇编来实现的。
使用Goland的ctrl+shift+f，找到对应的汇编，比如AMD64的实现，我们发现底层在操作变量前，使用了LOCK汇编指令，而LOCK是CPU级别的锁，这说明atomic使用的是硬件锁。
sema锁
sema锁，也叫做信号量锁（semaphore）。在Go语言中，它的核心是一个uint32的值，含义是同时可并发的协程数量。
Go语言中，每个sema锁是一个uint32值，每个值都对应一个SemaRoot结构体。查看底层代码我们可以知道，每一个锁背后都对应一个AVL树用于协程排队。
在runtime/sema.go里面，我们可以找到SemaRoot结构体：
- sudog：平衡二叉树（AVL Tree）的根节点，用于协程排队
- nwait：排队的协程数量
go
代码解读
复制代码
type semaRoot struct {
lock mutex
treap *sudog // root of balanced tree of unique waiters.
nwait atomic.Uint32 // Number of waiters. Read w/o the lock.
}
sudog结构体在runtime/runtime2.go里面：每个sudog中含有一个协程
go
代码解读
复制代码
type sudog struct {
g *g
next *sudog
prev *sudog
elem unsafe.Pointer
acquiretime int64
releasetime int64
ticket uint32
parent *sudog // semaRoot binary tree
waitlink *sudog // g.waiting list or semaRoot
waittail *sudog // semaRoot
c *hchan // channel
}
可见，sema在内存中的大致结构如下：
当uint32 > 0时的sema操作
当uint32 > 0时的sema操作：表示可以并发获取协程的个数。
- 获取锁：使用CAS将uint32值减少1成功，则获取锁成功。
- 释放锁：使用atomic将uint32的值添加1，表示释放锁成功。
我们可以查看一下Go的源码：
sema.go/semacquire(addr)：传入sema的uint32的值
- 调用
cansemacquire(addr)
- 如果uint32的值=0，return false。
- 使用cas减1，如果成功 return true
semarelease()方法：
- 使用
atomic.Xad(addr,1)给信号量新增1，表示释放成功。
当uint32 = 0时候的sema操作
当uint32 = 0时候的sema操作：sema锁退化为一个协程休眠队列。
- 获取锁：协程休眠，进入到堆树去等待。
- 释放锁：从堆树中取出一个协程，唤醒。
semacquire：
- 使用
root.queue()，将协程放到AVL树里面排队 - 使用
goparkunlock()，休眠当前协程。
semarelease：
- 如果等待的协程数量是0（
atomic.Load(&root.nwait) == 0），返回。 - 如果不是，
root.dequeue()释放一个协程，唤醒协程。
小结
通过本文的探讨，我们深入了解了Go语言中Atomic操作和sema锁在并发编程中的重要作用和实际应用。
Atomic操作通过提供不可分割的读写操作，确保了并发环境下数据的一致性和安全性；而sema锁则通过控制对共享资源的访问数量，实现了更为灵活的并发控制策略。在实际开发中，我们往往会使用更上层的锁，即Go语言封装的sync.Mutex和sync.RWMutex，另外Atomic操作也是很常用的。
