【2-9 Golang】Go并发编程—并发编程

&emsp;&emsp;Go语言为我们提供了基于消息传递CSP并发模型，基于管道 + 协程可以很方便的编写高并发服务，但是在某些场景下，或多或少还是需要使用到锁，本篇文章主要介绍除了管道chan之外的常见并发编程模式。 ## 原子操作 atomic &emsp;&emsp;现代计算机都是多核CPU，每个CPU还有自己的高速缓存，主存中部分数据会被缓存在高速缓存中，CPU访问数据时会先从高速缓存中查找。那假如同一块内存地址同时被缓存在核0与核1的L2级高速缓存呢？此时如果核0与核1同时修改该地址内容，则会造成冲突。（参考深入理解计算机系统第六章，以Intel Core i7处理器为例，其有四个核，且每个核都有自己的L1和L2高速缓存）。  &emsp;&emsp;平常我们以为的一些原子操作（不会有并发问题的操作），如赋值操作，取值操作等，在多核CPU架构下都有可能产生并发问题；另外还有一些常见语句，如a += b等也有并发问题。所以在某些场景，我们需要想办法避免并发问题，怎么办呢？Go语言sync/atomic包为我们提供了一些常见的原子操作，使用这些方法不用担心并发问题。 ``` //数据加载 func LoadInt32(addr *int32) (val int32) //数据保存 func StoreInt32(addr *int32, val int32) //比较交换操作，如果addr地址的数据等于old，则赋值为new func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool) //addr地址的数据累加加delta func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32) ``` &emsp;&emsp;这些方法底层是怎么实现的呢？数据加载与保存还好理解一些，比较交换以及数据累加，编译成汇编指令后，明显需要好几步操作才能完成，怎么做到原子的呢？其实还有一些我们不知道的指令，语义上虽然比较复杂，但却是一条指令： ``` /* * 比较交换指令 * "cmpxchgl r, [m]": * * if (eax == [m]) { * zf = 1; * [m] = r; * } else { * zf = 0; * eax = [m]; * } */ /* 累加指令 * "xaddl r, [m]": * * temp = [m]; * [m] += r; * r = temp; */ ``` &emsp;&emsp;那上面提到的高速缓存的问题怎么解决呢？目前处理器都提供有lock指令；其可以锁住总线，其他CPU对内存的读写请求都会被阻塞，直到锁释放；不过目前处理器都采用锁缓存替代锁总线（锁总线的开销比较大），即lock指令会锁定一个缓存行。当某个CPU发出lock信号锁定某个缓存行时，其他CPU会使它们的高速缓存该缓存行失效，同时检测是对该缓存行中数据进行了修改，如果是则会写所有已修改的数据；当某个高速缓存行被锁定时，其他CPU都无法读写该缓存行；lock后的写操作会及时会写到内存中。 &emsp;&emsp;结合这些知识，实现这些原子操作就非常简单了，参考Go语言CompareAndSwapInt32函数的汇编代码： ``` //runtime/internal/atomic/atomic_amd64.s TEXT ·Cas(SB),NOSPLIT,$0-17 MOVQ ptr+0(FP), BX MOVL old+8(FP), AX MOVL new+12(FP), CX //锁缓存行 LOCK //比较交换 CMPXCHGL CX, 0(BX) SETEQ ret+16(FP) RET ``` ## 锁 sync.Mutex &emsp;&emsp;为什么需要锁呢？当然是为了解决并发问题，如多个协程同时操作同一个变量，这就不得不提一个经典的例子，多个协程累加公共变量，初始值为零，累加1w次，最终结果是什么呢？ ``` package main import ( "fmt" "time" ) var value = 0 func main() { for i := 0; i <1000; i ++ { go func() { value ++ }() } //为了等待所有的子协程执行完毕 time.Sleep(time.Second * 10) fmt.Println(value) //951，输出结果随机 } ``` &emsp;&emsp;明明启动了1000个协程，每个协程都对全局变量value+1，最终value的结果为什么是随机的呢？因为这1000个协程大概率是分配到多个CPU调度执行的，多个CPU并行访问内存变量，value ++操作还不是原子的（实际等于value = value + 1，编译成的汇编指令更是由好几条指令组成），而且每个CPU还有高速缓存的存在（CPU访问到的其实是内存变量的副本），所以当多个协程操作同一个变量时其结果是不确定的。 &emsp;&emsp;那如果确实需要多个协程访问同一个变量怎么办？这时候就需要加锁了，操作变量之前加锁，操作变量之后释放锁，锁保证了同一时刻只能有一个协程访问到这个变量： ``` package main import ( "fmt" "sync" "time" ) var value = 0 func main() { lock := sync.Mutex{} for i := 0; i <1000; i ++ { go func() { lock.Lock() value ++ lock.Unlock() }() } time.Sleep(time.Second * 10) fmt.Println(value) } ``` &emsp;&emsp;并发相关的一些工具基本都在sync包，sync.Mutex是一种常用的排他锁，常用来解决并发问题，其只有两个方法且使用非常简单，操作之前加锁lock.Lock()，操作时候释放锁lock.Unlock()。sync.Mutex继承自接口sync.Locker，我们简单了解下sync.Mutex.Lock的实现： ``` //父接口 type Locker interface { Lock() Unlock() } type Mutex struct { //锁的状态 state int32 //信号量 sema uint32 } func (m *Mutex) Lock() { // 快速加锁：原子操作cas if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { return } // 加锁失败，再次慢慢加锁 m.lockSlow() } func (m *Mutex) Unlock() { //快速释放锁 new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked) if new != 0 { //释放失败，再次慢慢释放锁 m.unlockSlow(new) } } ``` &emsp;&emsp;注意到，加锁和释放锁的时候，都是先基于原子操作尝试一次（可能失败），失败后才会走到lockSlow函数，该函数核心逻辑是一个for循环，在锁已被其他协程抢占时尝试自旋（避免协程切换），自旋结束后再次尝试获取锁（基于cas），如果还是获取失败，则通过信号量m.sema抢占锁（类似于Semacquire）。 ## 并发map sync.Map &emsp;&emsp;map之前的章节我们已经介绍过，多个协程并发操作map时，可能会导致panic（fatal error: concurrent map writes），这是因为当我们并发写map时，可能导致意料之外的情况发生。那怎么解决呢？Go语言为我们提供了并发sync.Map，使用方式如下： ``` package main import ( "fmt" "sync" "time" ) func main() { var m = sync.Map{} //创建10个协程 for i := 0; i <= 10; i ++ { go func() { //协程内，循环操作map for j := 0; j <= 100; j ++ { // 数据读取 v, ok := m.Load(fmt.Sprintf("test_%v", j)) if ok { //数据写入 m.Store(fmt.Sprintf("test_%v", j), v.(int) + 1) } else { m.Store(fmt.Sprintf("test_%v", j), 0) } } }() } //主协程休眠3秒，否则主协程结束了，子协程没有机会执行 time.Sleep(time.Second * 3) fmt.Println(m.Load("test_0")) } ``` &emsp;&emsp;那是不是每次操作之前都需要加锁呢？这样的话性能是不是会有所降低？这是肯定的，不过Go语言也通过"读写分离"方案（适合读多写少的场景），尽可能的减少锁的开销，如下是sync.Map的定义： ``` type Map struct { //锁 mu Mutex //只读的数据，相当于缓存 read atomic.Value // readOnly //可写数据，访问需要加锁 dirty map[any]*entry misses int } // readOnly结构定义，也是一个map type readOnly struct { m map[any]*entry //dirty是否存在部分数据，在readonly不存在 amended bool // true if the dirty map contains some key not in m. } ``` &emsp;&emsp;注意read是只读数据，相当于一份缓存数据，map的增删改依赖于dirty。这样区分之后，map的读写流程当然也需要改变了。 ``` func (m *Map) Load(key any) (value any, ok bool) { //加载只读数据 read, _ := m.read.Load().(readOnly) e, ok := read.m[key] // 没有查到数据，dirty还有一些数据时readonly没有的 if !ok && read.amended { //加锁 m.mu.Lock() //再次尝试读取readonly read, _ = m.read.Load().(readOnly) e, ok = read.m[key] // 没有查到数据，dirty还有一些数据时readonly没有的 if !ok && read.amended { e, ok = m.dirty[key] m.missLocked() } m.mu.Unlock() } if !ok { return nil, false } return e.load() } //如果misses次数过多，将dirty数据加载到readonly func (m *Map) missLocked() { m.misses++ if m.misses < len(m.dirty) { return } m.read.Store(readOnly{m: m.dirty}) m.dirty = nil m.misses = 0 } ``` &emsp;&emsp;可以看到，读取操作优先查询readonly数据，因为不需要加锁，当然在多次操作之后readonly数据可能和dirty数据不一样，如果misses次数过多，会将dirty数据加载到readonly；另外在写数据时，如果readonly存在key，则尝试写readonly（基于cas，不需要加锁）；如果写失败，再加锁，有兴趣的可以自己学习下sync.Map.Store函数的实现逻辑。 ## 并发控制 sync.Waitgroup &emsp;&emsp;设想有这么一个需求：业务需要从三个数据接口查询数据，而且这三个接口互不依赖，传统的编程方式可能就是顺序调用了，这样总的耗时是这三个接口耗时之和，在Go语言中，提供了并发控制sync.Waitgroup，使得我们可以并发请求三个接口，这时候总的耗时等于三个接口耗时的最大值。 ``` package main import ( "fmt" "sync" ) func main() { //WaitGroup用于协程并发控制 wg := sync.WaitGroup{} //启动10个协程并发执行任务 for i := 0; i < 10; i ++ { //标记任务开始 wg.Add(1) go func(a int) { fmt.Println(fmt.Sprintf("work %d exec", a)) //标记任务结束 wg.Done() }(i) } //主协程等待任务结束 wg.Wait() fmt.Println("main end") } ``` &emsp;&emsp;如上面程序所示，主协程启动了10个协程，但是必须等到10个协程都结束（相当于等待10个子协程请求接口返回响应结果）。sync.WaitGroup使用非常简单，只有三个API，Add方法标识子任务开启，Done方法标识子任务结束，主协程中使用Wait方法，等待所有子任务结束，否则主协程会一直阻塞在这里。 ``` type WaitGroup struct { // 64-bit value: high 32 bits are counter, low 32 bits are waiter count. // 64-bit atomic operations require 64-bit alignment, but 32-bit // compilers only guarantee that 64-bit fields are 32-bit aligned. // For this reason on 32 bit architectures we need to check in state() // if state1 is aligned or not, and dynamically "swap" the field order if // needed. state1 uint64 state2 uint32 } ``` &emsp;&emsp;sync.WaitGroup结构的定义非常简单，只有两个字段：一个表示并发任务数，一个表示等待者数量，分别用32bit整数表示，只不过在32-bit/64-bit架构下，由于内存对齐方式不太一样，两个字段的访问方式也不太一样。 &emsp;&emsp;sync.WaitGroup结构的API方法这里就不做过多介绍了，底层是基于前面介绍的原子操作（LoadUint64、AddUint64、CompareAndSwapUint64）实现的，有兴趣的可以自己学习研究（参考文件sync/waitgroup.go）。 ## 并发检测 race &emsp;&emsp;Go程序日常开发中，如果担心可能存在并发问题，可以使用-race检测潜在的并发问题，以上面的程序为例： ``` package main import ( "fmt" "time" ) var value = 0 func main() { for i := 0; i <1000; i ++ { go func() { value ++ }() } time.Sleep(time.Second * 10) fmt.Println(value) } go run -race test.go ================== WARNING: DATA RACE Read at 0x0000011f48a8 by goroutine 8: main.main.func1() /test.go:13 +0x29 Previous write at 0x0000011f48a8 by goroutine 7: main.main.func1() /test.go:13 +0x44 Goroutine 8 (running) created at: main.main() /test.go:12 +0x39 Goroutine 7 (finished) created at: main.main() /test.go:12 +0x39 ``` ## 总结 &emsp;&emsp;本篇文章重点介绍了Go语言原子操作，互斥锁，并发map以及并发控制的基本使用，当然还有部分并发包没有介绍，如条件变量（cyn.Cond），读写锁（sync.RWMutex）等等，这些有兴趣的可以自己学习研究。