Go 併發編程 - 共享變量
在之前的文章中,我們詳細說了 Go 語言中 goroutine + channel 通過通信的方式來共享內存,從而實現併發編程。
但同時 Go 也提供了傳統通過共享變量,也就是共享內存的方式來實現併發。這篇文章會介紹 Go
提供的相關機制。
- 什麼是競態
在一個 Go 程序運行起來之後,會有很多的 goroutine 同時運行,每個 goroutine 中代碼的執行是順序的,如果我們無法確定兩個 goroutine 中代碼的執行順序。就可以說這兩個 goroutine 是併發執行的。
如果一段代碼無論是順序執行還是併發執行,結果都是正確的,那就可以說這個代碼是併發安全的。
併發不安全的代碼出現的問題有多種,比如死鎖、活鎖、競態等等。死鎖和活鎖都表示代碼已經無法繼續執行了,而競態則表示代碼是可以執行的,但是有可能會出現錯誤的結果。
有一個典型的例子就是向銀行賬戶中存款:
var balance int
func Deposit(amount int) {
balance = balance + amount
}
func Balance() int {
return balance
}
假如現在有兩個人同時向這個賬戶中存款,各自存了 100 次:
for i := 0; i < 100; i++ {
go func() {
Deposit(100)
}()
go func() {
Deposit(100)
}()
}
// 休眠一秒,讓上面的 goroutine 執行完成
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println(Balance())
如果程序正確,那麼最後的輸出應該是 20000,但多次運行,結果可能是 19800、19900 或者其他的值。這個時候,我們就會說這個程序存在數據競態。
這個問題的根本原因是 balance = balance + amount
這行代碼在 CPU 上的執行操作不是原子的,有可能執行到一半的時候會被打斷。
- 如何消除競態
發生了競態,就要想辦法解決。總的來說,解決競態有三種辦法:
-
不要多個 goroutine 中去訪問同一個變量
-
同一時間只允許一個 goroutine 訪問變量
如果在同一時間只能有一個 goroutine 訪問變量,其他的 goruotine 需要等到當前的訪問結束之後,才能訪問,這樣也可以消除競態,下面將要說到的工具就是用來保證同一時間只能有一個 goroutine 來訪問變量。
- Go 提供的併發工具
在上面我們已經說到了解決競態的三種辦法,下面的這些工具就是 Go 中用來實現同一時間只能有一個 goroutine 訪問變量。我們分別來看一下:
3.1 互斥鎖
這個是解決競態最經典的工具,它的原理就是如果要訪問一個資源,那麼就必須要拿到這個資源的鎖,只有拿到鎖纔有資格訪問資源,其他的 goroutine 想要訪問,必須等到當前 goroutine 釋放了鎖,搶到鎖之後再訪問
在使用之前,需要先爲資源申請一把鎖,使用的就是 sync.Mutex,這是 Go 語言中互斥鎖的實現:
var mu sync.Mutex
var balance int
每個拿到鎖的 goroutine 都需要保證在對變量的訪問結束之後,把鎖釋放掉,即使發生在異常情況,也需要釋放,這裏可以使用 defer 來保證最終會釋放鎖:
func Deposit(amount int) {
mu.Lock()
defer mu.Unlock()
balance = balance + amount
}
func Balance() int {
mu.Lock()
defer mu.Unlock()
return balance
}
把代碼改完之後,再去運行上面存款的代碼,無論運行多少遍,最終的結果都是 20000,到這裏,我們競態的問題就算是解決了,但是還有點小問題。
3.2 讀寫互斥鎖
上面的互斥鎖解決了訪問數據的競態問題,但是還有個小問題,就是讀餘額的操作有點低效,每次來讀餘額的時候,都還需要去搶鎖,實際上,這個變量如果沒有改變,即使同時被多個 goroutine 讀,也不會產生併發安全的問題。
我們想要的一個理想的場景就是,如果這個變量沒有在寫入,就可以運行多個 goroutine 同時讀,這樣可以大大提高效率。
Go 也提供了這個工具,那就是讀寫鎖。這個鎖讀與讀是不互斥的,簡單來說就是這個鎖可以保證同時只能有一個 goroutine 在寫入,如果有 goroutine 在寫入,其他的 goroutine 既不能讀,也不能寫,但允許多個 goroutine 同時來讀。
我們把上面的代碼再改一下,只需要改一個地方:
var mu sync.RWMutex // 替換 sync.Mutex
var balance int
這樣改完之後,上面存款的代碼還是會一直輸出 20000,但同時可以允許多個 goroutine 同時讀餘額。
大多數 Go 語言中的競態問題都可以使用這兩個工具來解決。
3.3 Once
Go 語言中還提供了這樣的一個工具,可以保證代碼只會執行一遍,多用於資源初始化等場景。使用的方式也很簡單:
o := &sync.Once{}
for i := 0; i < 100; i++ {
o.Do(func(){
go func() {
Deposit(100)
}()
go func() {
Deposit(100)
}()
})
}
// 休眠一秒,讓上面的 goroutine 執行完成
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println(Balance())
如果上面的代碼使用 Once 來控制之後,都只會存一次,所以上面的代碼會永遠輸出 200。
3.4 競態檢測器
很多處在競態的錯誤很難發現,Go 語言中提供了一個工具,可以幫忙檢查代碼中是否存在競態。使用起來很簡單,只需要在以下命令之後加上 -race
參數就可以:
$ go run -race
$ go build -race
$ go test -race
加上這個參數之後,編譯器會對代碼在執行時對所有共享變量的訪問,如果發現一個 goroutine 寫入一個變量之後,沒有任何同步的操作,就有另外一個 goroutine 讀寫了這個變量,那就說明這裏存在競態,就會報錯。比如下面的代碼:
data := 1
go func() {
data = 2
}()
go func() {
data = 3
}()
time.Sleep(2 * time.Second)
運行 go run -race main.go
之後,會報下面的錯誤:
Found 1 data race(s)
exit status 66
- 小結
Go 中也提供了傳統語言所提供的併發編程機制,也可以通過共享內存的方法來實現併發編程。Go 提供的接口相對來說比較簡潔,提供的能力卻足夠強大。
文 / Rayjun
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來源:https://mp.weixin.qq.com/s/QKdIIVfFLOcbHlx1-NhL8Q