Go 并发安全 | 青训营笔记

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Go 并发安全

Created: February 4, 2023 11:05 PM Tags: golang note

背景概念

在研究 Go 并发编程之前让我们回顾一下进程与线程、并发与并行的相关概念：

  • 进程是程序在操作系统中的一次执行过程，是系统进行资源分配和调度的一个独立单位。
  • 线程是进程的一个执行实体，是 CPU 调度和分配的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。
  • 一个进程可以创建和撤销多个线程，同一个进程中的多个线程可以并发执行，
  • 多线程程序在一个核的 CPU 上运行，就是并发。
  • 多线程程序在多个核的 CPU 上运行，就是并行。

基于此我们再来看协程的概念，协程本质上类似于用户级线程，拥有独立的栈空间，共享堆空间，调度也由用户自己实现，Go 语言官方实现的协程是 goroutine，每个实例4~5KB的栈内存占用和由于实现机制而大幅减少的创建和销毁开销是go高并发的根本原因。

Go语言中使用goroutine非常简单，只需要在调用函数的时候在前面加上go关键字，就可以为一个函数创建一个goroutine。一个goroutine必定对应一个函数，可以创建多个goroutine去执行相同的函数。

并发安全

有时候在Go代码中可能会存在多个goroutine同时操作一个资源（临界区），这种情况会发生竞态问题（数据竞态）。举个例子：

var x int64
var wg sync.WaitGroup

func add() {
    for i := 0; i < 5000; i++ {
        x = x + 1
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(2)
    go add()
    go add()
    wg.Wait()
    fmt.Println(x)
}

上面的代码中我们开启了两个goroutine去累加变量x的值，这两个goroutine在访问和修改x变量的时候就会存在数据竞争，导致最后的结果与期待的不符。

互斥锁

互斥锁是一种常用的控制共享资源访问的方法，它能够保证同时只有一个goroutine可以访问共享资源。Go语言中使用sync包的Mutex类型来实现互斥锁。 使用互斥锁来修复上面代码的问题：

var x int64
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex

func add() {
    for i := 0; i < 5000; i++ {
        lock.Lock() // 加锁
        x = x + 1
        lock.Unlock() // 解锁
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(2)
    go add()
    go add()
    wg.Wait()
    fmt.Println(x)
}

使用互斥锁能够保证同一时间有且只有一个goroutine进入临界区，其他的goroutine则在等待锁；当互斥锁释放后，等待的goroutine才可以获取锁进入临界区，多个goroutine同时等待一个锁时，唤醒的策略是随机的。

读写互斥锁

互斥锁是完全互斥的，但是有很多实际的场景下是读多写少的，当我们并发的去读取一个资源不涉及资源修改的时候是没有必要加锁的，这种场景下使用读写锁是更好的一种选择。读写锁在Go语言中使用sync包中的RWMutex类型。

读写锁分为两种：读锁和写锁。当一个goroutine获取读锁之后，其他的goroutine如果是获取读锁会继续获得锁，如果是获取写锁就会等待；当一个goroutine获取写锁之后，其他的goroutine无论是获取读锁还是写锁都会等待。读写锁示例：

var (
    x      int64
    wg     sync.WaitGroup
    lock   sync.Mutex
    rwlock sync.RWMutex
)

func write() {
    // lock.Lock()   // 加互斥锁
    rwlock.Lock() // 加写锁
    x = x + 1
    time.Sleep(10 * time.Millisecond) // 假设读操作耗时10毫秒
    rwlock.Unlock()                   // 解写锁
    // lock.Unlock()                     // 解互斥锁
    wg.Done()
}

func read() {
    // lock.Lock()                  // 加互斥锁
    rwlock.RLock()               // 加读锁
    time.Sleep(time.Millisecond) // 假设读操作耗时1毫秒
    rwlock.RUnlock()             // 解读锁
    // lock.Unlock()                // 解互斥锁
    wg.Done()
}

func main() {
    start := time.Now()
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go write()
    }

    for i := 0; i < 1000; i++ {
        wg.Add(1)
        go read()
    }

    wg.Wait()
    end := time.Now()
    fmt.Println(end.Sub(start))
}

Channel

💡 goroutine 奉行通过通信来共享内存，而不是共享内存来通信。

单纯地将函数并发执行是没有意义的。函数与函数间需要交换数据才能体现并发执行函数的意义。虽然可以使用共享内存进行数据交换，但是共享内存在不同的goroutine中容易发生竞态问题。为了保证数据交换的正确性，必须使用互斥量对内存进行加锁，这种做法势必造成性能问题。

Go语言的并发模型是CSP（Communicating Sequential Processes），提倡通过通信共享内存而不是通过共享内存而实现通信。如果说goroutine是Go程序并发的执行体，channel就是它们之间的连接。channel是可以让一个goroutine发送特定值到另一个goroutine的通信机制。

Go 语言中的通道（channel）是一种特殊的类型。通道像一个传送带或者队列，总是遵循先入先出（First In First Out）的规则，保证收发数据的顺序。每一个通道都是一个具体类型的导管，也就是声明channel的时候需要为其指定元素类型。

channel是一种类型，一种引用类型。声明通道类型的格式如下：

// var 变量 chan 元素类型
var ch1 chan int   // 声明一个传递整型的通道
var ch2 chan bool  // 声明一个传递布尔型的通道
var ch3 chan []int // 声明一个传递int切片的通道

通道是引用类型，通道类型的空值是nil。声明的通道后需要使用make函数初始化之后才能使用。创建channel的格式如下：

// make(chan 元素类型, [缓冲大小])
ch4 := make(chan int)
ch5 := make(chan bool)
ch6 := make(chan []int)

通道有发送（send）、接收(receive）和关闭（close）三种操作。发送和接收都使用<-符号：

ch := make(chan int)
ch <- 10 // 把10发送到ch中
x := <- ch // 从ch中接收值并赋值给变量x
<-ch       // 从ch中接收值，忽略结果
close(ch)  // 通过调用内置的close函数来关闭通道

关于关闭通道需要注意的事情是，只有在通知接收方goroutine所有的数据都发送完毕的时候才需要关闭通道。通道是可以被垃圾回收机制回收的，它和关闭文件是不一样的，在结束操作之后关闭文件是必须要做的，但关闭通道不是必须的。

关闭后的通道有以下特点：

  1. 对一个关闭的通道再发送值就会导致panic。
  2. 对一个关闭的通道进行接收会一直获取值直到通道为空。
  3. 对一个关闭的并且没有值的通道执行接收操作会得到对应类型的零值。
  4. 关闭一个已经关闭的通道会导致panic。

无缓冲的通道

无缓冲的通道又称为阻塞的通道。我们来看一下下面的代码：

func main() {
    ch := make(chan int)
    ch <- 10
    fmt.Println("发送成功")
}

上面这段代码能够通过编译，但是执行的时候会出现以下错误：

fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

goroutine 1 [chan send]:
main.main()
        .../src/github.com/pprof/studygo/day06/channel02/main.go:8 +0x54

为什么会出现deadlock错误呢？因为我们使用ch := make(chan int)创建的是无缓冲的通道，无缓冲的通道只有在有人接收值的时候才能发送值。就像你住的小区没有快递柜和代收点，快递员给你打电话必须要把这个物品送到你的手中，简单来说就是无缓冲的通道必须有接收才能发送。

上面的代码会阻塞在ch <- 10这一行代码形成死锁，那如何解决这个问题呢？一种方法是启用一个goroutine去接收值，例如：

func recv(c chan int) {
    ret := <-c
    fmt.Println("接收成功", ret)
}
func main() {
    ch := make(chan int)
    go recv(ch) // 启用goroutine从通道接收值
    ch <- 10
    fmt.Println("发送成功")
}

无缓冲通道上的发送操作会阻塞，直到另一个goroutine在该通道上执行接收操作，这时值才能发送成功，两个goroutine将继续执行。相反，如果接收操作先执行，接收方的goroutine将阻塞，直到另一个goroutine在该通道上发送一个值。使用无缓冲通道进行通信将导致发送和接收的goroutine同步化。因此，无缓冲通道也被称为同步通道。

有缓冲的通道

解决上面问题的方法还有一种就是使用有缓冲区的通道。我们可以在使用make函数初始化通道的时候为其指定通道的容量，例如：

func main() {
    ch := make(chan int, 1) // 创建一个容量为1的有缓冲区通道
    ch <- 10
    fmt.Println("发送成功")
}

只要通道的容量大于零，那么该通道就是有缓冲的通道，通道的容量表示通道中能存放元素的数量。就像你小区的快递柜只有那么个多格子，格子满了就装不下了，就阻塞了，等到别人取走一个快递员就能往里面放一个。我们可以使用内置的len函数获取通道内元素的数量，使用cap函数获取通道的容量，虽然我们很少会这么做。

单向通道

有的时候我们会将通道作为参数在多个任务函数间传递，很多时候我们在不同的任务函数中使用通道都会对其进行限制，比如限制通道在函数中只能发送或只能接收。Go语言中提供了单向通道来处理这种情况。

func counter(out chan<- int) {
    for i := 0; i < 100; i++ {
        out <- i
    }
    close(out)
}

func squarer(out chan<- int, in <-chan int) {
    for i := range in {
        out <- i * i
    }
    close(out)
}
func printer(in <-chan int) {
    for i := range in {
        fmt.Println(i)
    }
}

func main() {
    ch1 := make(chan int)
    ch2 := make(chan int)
    go counter(ch1)
    go squarer(ch2, ch1)
    printer(ch2)
}

可以看到，

  1. chan<- int是一个只能发送的通道，可以发送但是不能接收；
  2. <-chan int是一个只能接收的通道，可以接收但是不能发送。

在函数传参及任何赋值操作中将双向通道转换为单向通道是可以的，但反过来是不可以的。

Atomic（原子操作）

代码中的加锁操作因为涉及内核态的上下文切换会比较耗时、代价比较高。针对基本数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全，因为原子操作是Go语言提供的方法它在用户态就可以完成，因此性能比加锁操作更好。Go语言中原子操作由内置的标准库sync/atomic提供。

方法解释
func LoadInt32(addr int32) (val int32)
func LoadInt64(addr int64) (val int64)
func LoadUint32(addr uint32) (val uint32)
func LoadUint64(addr uint64) (val uint64)
func LoadUintptr(addr uintptr) (val uintptr)
func LoadPointer(addr unsafe.Pointer) (val unsafe.Pointer)读取操作
func StoreInt32(addr *int32, val int32)
func StoreInt64(addr *int64, val int64)
func StoreUint32(addr *uint32, val uint32)
func StoreUint64(addr *uint64, val uint64)
func StoreUintptr(addr *uintptr, val uintptr)
func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer)写入操作
func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)
func AddInt64(addr *int64, delta int64) (new int64)
func AddUint32(addr *uint32, delta uint32) (new uint32)
func AddUint64(addr *uint64, delta uint64) (new uint64)
func AddUintptr(addr *uintptr, delta uintptr) (new uintptr)修改操作
func SwapInt32(addr *int32, new int32) (old int32)
func SwapInt64(addr *int64, new int64) (old int64)
func SwapUint32(addr *uint32, new uint32) (old uint32)
func SwapUint64(addr *uint64, new uint64) (old uint64)
func SwapUintptr(addr *uintptr, new uintptr) (old uintptr)
func SwapPointer(addr *unsafe.Pointer, new unsafe.Pointer) (old unsafe.Pointer)交换操作
func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)
func CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64) (swapped bool)
func CompareAndSwapUint32(addr *uint32, old, new uint32) (swapped bool)
func CompareAndSwapUint64(addr *uint64, old, new uint64) (swapped bool)
func CompareAndSwapUintptr(addr *uintptr, old, new uintptr) (swapped bool)
func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool)比较并交换操作
var x int64
var l sync.Mutex
var wg sync.WaitGroup

// 普通版加函数
func add() {
    // x = x + 1
    x++ // 等价于上面的操作
    wg.Done()
}

// 互斥锁版加函数
func mutexAdd() {
    l.Lock()
    x++
    l.Unlock()
    wg.Done()
}

// 原子操作版加函数
func atomicAdd() {
    atomic.AddInt64(&x, 1)
    wg.Done()
}

func main() {
    start := time.Now()
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        wg.Add(1)
        // go add()       // 普通版add函数 不是并发安全的
        // go mutexAdd()  // 加锁版add函数 是并发安全的，但是加锁性能开销大
        go atomicAdd() // 原子操作版add函数 是并发安全，性能优于加锁版
    }
    wg.Wait()
    end := time.Now()
    fmt.Println(x)
    fmt.Println(end.Sub(start))
}

atomic包提供了底层的原子级内存操作，对于同步算法的实现很有用。这些函数必须谨慎地保证正确使用。除了某些特殊的底层应用，使用通道或者sync包的函数/类型实现同步更好。

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