Golang内存模型

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这是一个创建于 的文章,其中的信息可能已经有所发展或是发生改变。

主要内容转自https://zhuanlan.zhihu.com/p/29108170,增加了一些解释及代码示例,如有错误,欢迎指正

什么是内存模型

首先内存模型并不是指arena/spans/bitmap(如下图)。这些是内存划分。


image.png

为了保证共享内存的正确性(可见性、有序性、原子性),内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。

通过这些规则来规范对内存的读写操作,从而保证指令执行的正确性。它与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关。

它解决了 CPU 多级缓存、指令重排等导致的内存访问问题,保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。

上面提到,内存模型与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关,那么我们在编写Go程序的时候,需要去了解CPU等底层特性吗?其实是不需要的!因为内存模型是抽象的,在不同的平台下,编译器会生成合适的内存屏障,帮我们屏蔽了底层的差异。这里将面向抽象编程的思想体现的淋漓尽致!

Golang的内存模型

Go 中也定义了Happens Before以及各种发生Happens Before关系的操作,因为有了这些Happens Before操作的保证,我们写的多goroutine的程序才会按照我们期望的方式来工作

什么是Happens Before

如果A happens before B,那么A的执行结果对B可见(并不一定表示A比B先执行,如果A与B执行的顺序对结果没有影响是可以重排序的

Go 中定义的Happens Before保证

单线程

在单线程环境下,所有的表达式,按照代码中的先后顺序,具有Happens Before关系
——说白了,就是能够保证不管CPU,编译器怎么优化,代码从结果看按顺序执行的。
举个例子,如下代码中如果CPU或者编译器将指令重排(处于优化目的)后,有可能是E1->E3->E2的顺序执行,那么结果就会不对。Happens Before关系杜绝了这种错误。

package main

import "fmt"

func main() {
    a := 1//E1
    a++//E1
    fmt.Print(a + 1)//E3
}

Init 函数

  • 如果包P1中导入了包P2,则P2中的init函数Happens Before 所有P1中的操作
  • main函数Happens After 所有的init函数

——说白了,就是保证从结果看,Go程序的启动顺序如下

  1. 按顺序导入所有被 main 包引用的其它包,然后在每个包中执行如下流程:
  2. 如果该包又导入了其它的包,则从第一步开始递归执行,但是每个包只会被导入一次。
  3. 然后以相反的顺序在每个包中初始化常量和变量,如果该包含有 init 函数的话,则调用该函数。
  4. 在完成这一切之后,main 也执行同样的过程,最后调用 main 函数开始执行程序。

Goroutine

  • Goroutine的创建Happens Before所有此Goroutine中的操作
  • Goroutine的销毁Happens After所有此Goroutine中的操作

——说白了,就是保证了Goroutine创建前修改的数据在Goroutine执行时一定已经生效,以及Goroutine执行时的修改在Goroutine销毁后主Goroutine再去读取时一定已经生效

Channel

  • 对一个元素的send操作Happens Before对应的receive完成操作
    ——说白了,就是保证了receive操作,在接受完成之前一定会阻塞,所以我们可以使用channel做同步
  • 对channel的close操作Happens Before receive 端的收到关闭通知操作
    ——说白了,就是保证send端close通道完成之后,receive 端才会收到关闭通知
  • 对于Unbuffered Channel,对一个元素的receive 操作Happens Before对应的send完成操作
    ——说白了,就是保证元素send了没被receive时,在send端会阻塞
  • 对于Buffered Channel,假设Channel 的buffer 大小为C,那么对第k个元素的receive操作,Happens Before第k+C个send完成操作。可以看出上一条Unbuffered Channel规则就是这条规则C=0时的特例
    ——说白了,就是保证了在Buffer满了之后,元素send了没被receive时,在send端会阻塞

注意这里面,send和send完成,这是两个事件,receive和receive完成也是两个事件。

然后,Buffered Channel这里有个坑,它的Happens Before保证比UnBuffered 弱,这个弱只在【在receive之前写,在send之后读】这种情况下有问题。而【在send之前写,在receive之后读】,这样用是没问题的,这也是我们通常写程序常用的模式,千万注意这里不要弄错!

Lock

Go里面有Mutex和RWMutex两种锁,RWMutex除了支持互斥的Lock/Unlock,还支持共享的RLock/RUnlock。

  • 对于一个Mutex/RWMutex,设n < m,则第n个Unlock操作Happens Before第m个Lock操作。
  • 对于一个RWMutex,存在数值n,RLock操作Happens After 第n个UnLock,其对应的RUnLockHappens Before 第n+1个Lock操作。

简单理解就是这一次的Lock总是Happens After上一次的Unlock,读写锁的RLock HappensAfter上一次的UnLock,其对应的RUnlock Happens Before 下一次的Lock。

Once

once.Do中执行的操作,Happens Before 任何一个once.Do调用的返回


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本文来自:简书

感谢作者:MrCloudPeak

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