Go的内存模型

Golang 官网有一个单独的页面介绍 —— Go的内存模型。me 这里算是将它翻译一下，然后配几个小程序，再加点(个人)说明。me 表示对某些东西也不是太懂，赶脚有些地方有些模糊，甚至有些奇怪。翻译水平有限，不要骂 me，O__O"…

多线程/并发程序共享数据既是一件幸事，却又是一件麻烦的事。对于共享数据的“读”是没有问题的， 问题就出现在“写”上，比如两个进程写同一个内存中的值该如何是好 ？ 高级语言的写一个内存变量比如 a = a+1; 往往不会是一个原子操作(不可分割)，也就是该操作会拆分成多步(典型的就是从内存 load 到寄存器、 在寄存器中 +1 、 从寄存器 store 到内存)， 试着想想如果两个线程的写的多步交叉起来， 结果会如何 ？ 比如 线程 f 和 g 分别将 a = a+1; 按理说， f 和 g 结束之后 a 会增大 2 ， 不过可能不会这样。这就是多线程的麻烦的地方之一。 多线程麻烦的地方之二， 试想着两个线程写、一个线程读同一个 a， 那么读的结果该是最初的结果，还是 +1 的结果，还是 +2 的结果？

对于上面的第一个问题的思路就是加锁 lock (或是互斥量 mutex)来保证一致性，保证写的操作是“不可分割”的。对于第二个问题，也就是线程之间执行顺序的控制，一般使用信号量/条件变量等限制它们的先后执行。互斥访问和顺序执行， 合称为线程的同步问题。 多线程编程是件头痛的是丫，O__O"… 尼玛，跑题有些严重，=_= 简而言之， 一般多线程对于共享不加处理的话， 数据的值完全是“听天由命”，但是“共享就是共享”， 一个线程在 t 时刻将值 v 写进去了， 后面的所有线程的操作都是在 v 的基础之上进行的。

Go 有些特殊。 go 的多线程，或是说 go 线程，或是说 goroutine，是一件奇怪的事，虽然数据是共享的，然而如果不加同步进制的话，这种共享却是互相之间可能看不到的，O__O"… 举个例子说，共享的 a (int) 变量，go f(); go g(); 如果 main 中创建 f 和 g 线程，都把 a 的值 +1，但是没有任何同步机制，这时候，在 main 中可能看到这种变化 (+1 或是 +2)，也可能看不到这种变化 (+0)，甚至实现可以是：f 和 g 都没有创建，因为创建它们没有实在的意义，没有同步就可以认为其他线程不关心这种变化，O__O"… 好吧，介是 me 的理解，还是看官方的说法吧。(如果看到这里，会赶脚 go 和其他语言的模型是差不多的呀，实际上看到后面才会发现它们的重大差别。)

版本：2012 年 3 月 6 号

• 简单说明
• 之前发生
• 同步
  • 初始化
  • goroutine 创建
  • goroutine 销毁
  • 管道通信
  • 锁
  • Once
• 错误的同步

简单说明

这篇 Go 的内存模型是来阐述，在一个 goroutine 中写入的一个变量的值在何种情况下会被另外一个 goroutine 察觉到。

之前发生

在单个的 goroutine 中，读写的行为表现如 (as if) 程序中所指定的顺序，这个说法暗含：一个编译器或是处理器是可以重新排列变量的读写顺序，只要排列后的顺序并没有违反语言规范定义的就可以。[ 这个比较好理解， ...; a = 1; b = 2; ... 在执行过程中没有必要先赋值完 a 再去赋值 b， 这两条语句即使颠倒了也不影响后面的表现，当然也可能是同时执行。] 因为可能存在着重新排序，所以一个 goroutine 中看到的顺序和另外一个 goroutine 看到的可能是不一样的。[ 这都可以，O__O"… ？ ] 比如说，一个 goroutine 中执行 a = 1; b = 2; 另外一个可能看到 b 的值先于 a 的值更新。[ 知道这一点，最后面的几个有 bug 的例子，实际上会好懂很多。]

为了说明读写，我们定义一个之前发生的偏序关系 [ 满足自反性、反对称性和传递性的关系叫偏序关系，典型的偏序关系是“小于等于”关系，实际上长辈-晚辈关系更像是偏序关系，因为偏序关系不要求任意两个元素均存在关系 ]，这个偏序关系反映 Go 程序中操作的执行情况。如果事件 e1 在 e2 之前发生，那么我们也说，e2 在 e1 的之后发生。[这里的理解可能有些歧义，me 理解的之前发生是 e1 先于 e2 发生，而 e1 的结束是否先于 e2 的开始，这不知道。]另外的，如果 e1 既不是在 e2 的之前发生，也不是在 e2 的之后发生，我们就说，e1 和 e2 是并发的。[也许 u 会奇怪，e1 不是要么先于 e2，不是要么后于 e2 吗？难道还有同时发生一说？貌似也不是这么理解，而是并发的两个线程，没有先于和后于这种关系，偏序关系不要求任意两个量都有关系。]

在单个的 goroutine 中，之前发生的这个顺序关系就是程序所描述的顺序。

只要满足下面两个条件，某一个读 r 访问到另外的一个写 w 的结果都是允许的：["允许"，allowed，意味着，u 访问到，但也可以不访问到，O__O"…。]

• 读 r 不在 w 的之前发生；
• 没有其他的写 w' 位于在 w 的之后，r 之前；

为了保证一个读 r 的结果正好就是某一个写 w ，需要保证 r 能看到的 w 只有一个；也就是说要满足下面两个条件：

• w 发生在 r 之前；
• 其他的写 w' 要么位于 w 之前，要么位于 r 之后；

下面的这对条件要比上面的那对要严格一些，它要求没有其他的写与 w 或是 r 并发(要么 w 之前要么 r 之后)。[ 上面的一对条件有多种可能：一种 r 在 w 之后，然后又分有和 w 并发的 w' 和没有和 w 并发的 w'； 另外一种是 r 和 w 并发， 当然还可能有其他的 w' 和 w/r 并发。 ]

在单个 goroutine 中是没有并发一说的，所以上面的两对条件代表同样的意思：r 能够看到离它最近的 w 的结果。然后当有多个 goroutine 访问同一个 v 的时候，我们就必须使用同步事件来建立这种之前发生的关系，让读能看到想看到的写的结果。

v 变量使用 0 值去初始化在内存模型中相当于一次写。

读写一个多字 (word) 的值的时候，相当于多次单字操作，而这个多次操作的顺序是没有指定的。

[赶脚必须多说两句，上面的两种说法，真让人头晕，赶脚有点绕口令的味道，都是用的否定说法，而不是肯定说法，甚是诡异。a 不在 b 的前面，不意味着 a 就在 b 的后面，它们可以是并列的。这样的话，第一种说法，也就是对于两个并列的线程来说，一个线程能否读到另一个线程写的数据，可以有，当然也可以没有。第二种说法，因为 r 就发生在 w 之后，r 前面没有其他的 w'，和 r 并列的也没有 w''，所以 r 读到的值必然是 w 写入的值，O__O"…。下面结合图形进行说明。]

单 goroutine 的情形：(标注的 r 为 read，w 为 write，都是对 value 的操作)
-- w0 ---- r1 -- w1 ---- w2 -----  r2 ---- r3 ---------->
这里就不单单是个偏序的关系了，而是一个良序关系，所有的 r/w 的先后都是可以比较的；


双 goroutine 的情形：
-- w0 ---- r1 -- r2 ---- w3 -----  w4 ---- r5 ---------->
-- w1 ----- w2 ---- r3 -----  r4 ---- w5 ---------->
单条线程上都是有先后关系的，然后对两条线程来说，r1 和 w2 的先后顺序是神马？即使“人间时间” w2 > r1，在 go 中，w2 不是先/后于 r1 的，标准说法是两者并发；
并发的 r/w 比如，r3 读的结果是多少呢？可能是前面的 w2 的值，也可能是上面的 w3 的值，或是 w4 的值；而 r5 的值，可能是 w4 的值，也能是 w1、w2、w5 的值；


双 goroutine 的交叉的情形：
-- r0 ---- r1 ------------|-------------- r2 ---------------------|-------------- w5 ---------- r5 ---------->
-- w1 ----- w2 -----------|--------- r3 -----  r4 ---- w4 --------|----------->

现在上面添加了两个交点 —— 使用 | 处，这样的话，r3 就是后于 r1 的，先于 w5 的；
r2 前面的写入的是 w2，而并发的有 w4，所以 r2 的值是不确定的，可以是 w2，也可以是 w4 ！！而 r4 前面写入的是 w2，与它并发的没有写入，所以 r4 读的值是 w2 ！！

这样的话，关系就貌似有点清晰了，如果不加同步控制的话，所有的线程都是“平行”并发的，这样的话，main 函数以外的线程都是无意义的，因为 main 函数可以认为它们跟 me 没有 关系！！只有加上同步控制，比如锁、比如管道，这样的话，线程之间便打上了“结点”，它们之间便有了先于/后于的顺序，但是在两个“结点”之间的部分，同样还是没有先后关系的。

同步

初始化

程序的初始化是在一个单个的 goroutine 中进行的，这个 goroutine 可能会创建其他的 goroutine，它们是并发执行的。

如果一个包 p 导入了包 q，那么 q 的 init 函数完成会在 p 的 init 之前发生。

main.main 函数的开始在所有的 init 函数完成之后发生。

goroutine 的创建

go 语句来开始一个新的 goroutine，该语句在 goroutine 的开始执行之前发生。

比如，下面的例子：

对 hello 的调用会输出 "hello,world"，输出可能是在后面的某个时刻，输出的时候也许 hello 已经退出了。

goroutine 的销毁

一个 goroutine 的退出不保证在程序中任何事件的之前发生。比如下面这个程序：

对 a 的赋值后面没有跟任何的同步事件，所以不保证在其他的 goroutine 中能看到 a 的变化。实际上，一个疯狂的编译器可以删掉整个 go 语句。[ 介也不违反前面的规定。]

如果一个 goroutine 的执行效果想其他的 goroutine 能察觉到，那么请使用同步机制，比如锁或是通道通信，来建立一个相对顺序。

管道通信

管道通信是 goroutine 中进行同步的主要方法。每一个管道的一个发送对应一个对管道的接收，不过通常发送和接收操作是在不同的 goroutine 中。

对于管道的发送操作在对应的接收操作完成的之前发生。

程序：

结果是肯定会输出 "hello,world" 的，因为对 a 的写操作发生在对管道 c 的发送数据之前，对管道 c 的发送又发生在对 c 的接收之前，更在 print a 之前。

对于一个管道的关闭操作发生在管道获取 0 值 之前；管道关闭之后，管道接收到一个 0 值。

对于上面的例子，使用 close(c) 更换掉 c <- 0 ，程序的结果是一样的。

对于一个无缓冲的管道来说，接收操作在发送操作完成的之前发生。

下面这个程序，对比上面的交换了发送和接收语句的顺序，不过使用的是无缓冲管道：

程序的结果也还是 "hello,world"，因为对 a 的写发生在 c 的接收之前，发生在 c 的发送完成之前，又发生在 print 之前。如果这里将管道换成有缓冲管道，比如 c = make(chan int, 1)，那么程序的结果就大不一样了，可能输出 "hello,world"，可能是空串，也可能是其他一些东西，甚至程序会崩溃掉，O__O"…

锁

sync 包中实现了两个关于锁的数据类型，sync.Mutex 和 sync.RWMutex。[ 互斥锁 mutex 是独占型，只能 lock 一次， unlock 一次，然后才能继续 lock 否则阻塞。 读写互斥锁 reader-writer mutex 是所有的 reader 共享一把锁或是一个 writer 独占一个锁， 如果一个 reader lock 到锁了， 其他的 reader 还可以 lock 但是 writer 不能 lock 。 ]

对于 sync.Mutex 或是 sync.RWMutex 类型的变量 mutex 来说，假定 n < m，对于 mutex.Unlock() 的第 n 次调用在 mutex.Lock() 的第 m 次调用返回之前发生。[ 对于一个 mutex 来说，lock 一下，第二次 lock 会阻塞，只有 unlock 一下才可以继续 lock，就是这个意思。然而 unlock 一个没有 lock 的 mutex 会怎么样呢？error ! ]

程序：

程序的结果也是 "hello,world"。对于 a 的赋值在 l.Unlock() 调用之前发生， l.Unlock() 在 l.Lock() 的第二次调用返回之前发生 ，l.Lock() 第二次调用又在 print 之前发生。

对于 sync.RWMutex 类型的变量 mutex 的每一次 mutex.RLock 调用，如果是在第 n 次 mutex.Unlock 调用了之后调用的 mutex.RLock ，那么 mutex.Lock 的第 n+1 次调用就在 mutex.RUnlock 之后发生。[ 有点绕，不过大意貌似是说， 如果在 writer 锁 unlock 之后调用了多次 reader lock， 那么下一次获取 writer 锁要在前面的所有 reader unlock 之后， O__O"… ]

Once

sync 包中提供了一个安全机制用来实现多个 goroutine 只有一次的初始化，就是使用 Once 类型。多个线程都可以执行 once.Do(f)，但是只有一个可以运行 f()，而其他的调用将被阻塞掉，直到 f() 返回。

对于 f() 的单个调用在所有的 once.Do(f) 返回之前发生。

下面的程序：

调用 twoprint 会有两次 "hello,world" 的输出，而第一次对 twoprint 的调用运行了一次 setup。

错误的同步

[之前 me 对这几个程序还存点疑问，现在好理解多了。Go 的线程模型不同于 Ptheads(C语言)、C++、Java 等。]

注意 ： 对一个变量 v 的读如果察觉到了一个并发 goroutine 中对 v 的写，即使这发生了，也不意味着，读后面的读可以察觉到写前面的写，O__O"… 比如下面的程序：

程序结果可能输出 2 和 0 。[ 输出 00 、 21、 01 想必都是认同的， 输出 20 呼应了前面说的不同的线程看到程序的执行顺序可能不同。 ]

这样一个简单的事实，让很多以前或是其他语言中使用的习惯做法不再适用。

二次检查加锁 (double-checked locking) 是一种为了避免同步带来的开销而尝试的举措，举个例子，twoprint 程序可以如下改写，虽然不再正确：

us 不会保证，在 doprint 中 u 看到了 done 变化(也就是变成 ture) 同样意味着 u 可以看到 a 的变化(变成 "hello,world") 。这里的版本，可能会输出空串，而不是 "hello,world" [也就是落后的那一个的输出结果可能不是预期的 ... ]。

还有一个不正确的惯用法是忙等一个值，比如：

和前面的说法类似，不保证在 main 中看到 done 的变化同时也能看到 a 的变化，所以，这个程序也可能输出空串。更糟糕的一种情况是，因为在两个线程中并没有同步控制事件，所以 done 的变化都不一定会为 main 所察觉，也就是 main 函数可能会永远死循环下去，O__O"… [ 对于使用其他线程库的人来说，他们相信，总有一天(除非世界末日该进程 abort 掉了) setup 会执行， 这个时候 main 就会看到 a 和 done 的变化， 然后 main 就结束了 ... ]。

在这个方向上，我们可以渐行渐远，来看看一个更为晦涩的程序：

即使 main 中检测到 g != nil 然后退出了循环，也不要以为就可以看到 g.msg 的值初始化过了。上面这些例子的解决方法都是一致的：请显式地使用同步！

后话

自己琢磨了一下， go 的并发设计的特点主要有两点反常规 ：

• 并发的 goroutine 之间默认是互不相识的， 甚至可以不认为对方存在， O__O"… ；
• 并发的代码段之间， 对于顺序的体会可能不一样，也就是 go 在语言层次允许代码顺序调整；(上面说了， 代码段之间的关系有“之前”、 “之后” 和 “并发”三种，不要想当然的不是 “之前” 就是 “之后” )

go 的并发是有点诡异，想想，它为什么要这样呢？因为在程序执行上调整顺序是很常见的优化措施， 也就是说 go 语言是更自然的“实现”语言， 但是不是更自然的“编程”语言， 因为 coding 的时候 me 们很多时候默认一切都是从上到下的，即使多线程亦如此 。 所以写 goroutine ，应该会多出来一些用来同步的代码。

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