Goroutine 的同步（第三部分）

• 第一部分：https://studygolang.com/articles/14118
• 第二部分：https://studygolang.com/articles/14478

mutex 和 sync.Once 介绍

假设你的程序中有一个需要某种初始化的功能。该 Bootstrap 程序成本很高，因此将其推迟到实际使用功能的那一刻是有意义的。这样，当功能未激活时，就不会浪费 CPU 周期。 这在 Go 中如何完成？

package main

import "fmt"

var capitals map[string]string

func Bootstrap() {
    capitals = make(map[string]string)
    capitals["France"] = "Paris"
    capitals["Germany"] = "Berlin"
    capitals["Japan"] = "Tokyo"
    capitals["Brazil"] = "Brasilia"
    capitals["China"] = "Beijing"
    capitals["USA"] = "Washington"
    ...
    capitals["Poland"] = "Warsaw"
}

func getCapitalCity(country string) string {
    if capitals == nil {
        Bootstrap()
    }
    return capitals[country]
}

func main() {
    fmt.Println(getCapitalCity("Poland"))
    fmt.Println(getCapitalCity("USA"))
    fmt.Println(getCapitalCity("Japan"))
}

你可以想象，如果它可以处理所有的国家，其他类似数据库的结构，使用 I/O 操作等，则 bootstrap 函数可能非常昂贵。上述解决方案看起来简单且优雅，但不幸的是，它并不会正常工作。问题在于当 bootstrap 函数在运行时无法阻止其它 Goroutine 做同样的事。而这些繁重的计算只做一次是很可取的。另外在 capitals 刚刚被初始化而其中的 key 还未设置时，其它 Goroutine 会看到它不为 nil 从而尝试从空的 map 中获取值。

sync.Mutex

Go 有包含很多好东西的内置 sync 包。我们可以使用 mutex (mutual exclusion) 来解决我们的同步问题。

import (
    "fmt"
    "sync"
)

...

var (
    capitals map[string]string
    mutex sync.Mutex
)

...

func getCapitalCity(country string) string {
    mutex.Lock()
    if capitals == nil {
        Bootstrap()
    }
    mutex.Unlock()
    return capitals[country]
}

bootstrap 程序可被多次运行的问题解决了。如果任何一个 Goroutine 正在运行 bootstrap 或者甚至在判断 capitals == nil，那么其它 Goroutine 会在 mutex.Lock() 处等待。Unlock 函数一结束另一个 Goroutine 就会被“准许进入”。

但是一次只能有一个 Goroutine 执行被放在 mutex.Lock() 和 mutex.Unlock() 之间的代码。因此如果存放首都城市的 map 被多个 Goroutine 读取，那么一切都会在 if 语句处被处理成一个接一个的。从根本上说对于 map 的读操作（包括判断它是否为 nil）应该允许一次处理多个，因为它是线程安全的。

sync.RWMutex

读 / 写 mutex 可以同时被多个 reader 或者一个 writer 持有（writer 是指改写数据的某种东西）：

mutex sync.RWMutex

...

func getCapitalCity(country string) string {
    mutex.RLock()
    if capitals != nil {
        country := capitals[country]
        mutex.RUnlock()
        return country
    }
    mutex.RUnlock()
    mutex.Lock()
    if capitals == nil {
        Bootstrap()
    }
    mutex.Unlock()
    return getCapitalCity(country)
}

现在代码变得复杂多了。第一部分使用读锁以允许多个 reader 同时读取 capitals。在一开始 Bootstrap 还未完成，所以调用者会拿到 mutex.Lock() 并且做必要的初始化。当这部分结束，函数可以被再次调用来获取期望的值。这些都在 Bootstrap 函数已经返回之后。

最新的解决方法很显然维护起来比较难。幸运的是有一个内置的方法恰好帮我们应对这种情况……

sync.Once

once sync.Once

...

func getCapitalCity(country string) string {
    once.Do(bootstrap)
    return capital[country]
}

上面的代码比第一个简明版的解决方法（它并不正常工作）更加简单。可以保证 bootstrap 只会被调用一次，并且从 map 中读数据仅在 bootstrap 返回后才会被执行。

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资源

• Go 的内存模型 —— Go 编程语言

The Go memory model specifies the conditions under which reads of a variable in one Goroutine can be guaranteed to …
golang.org

• sync - Go 编程语言

  Package sync provides basic synchronization primitives such as mutual exclusion locks. Other than the Once and …
  golang.org

保留部分版权

Golang Programming Concurrency Synchronization Software Development

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