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Golang?內(nèi)存模型The?Go?Memory?Model

更新時間：2022年11月11日 15:33:29 作者：吳言SDK

這篇文章主要為大家介紹了Golang?內(nèi)存模型The?Go?Memory?Model實例詳解，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

1. 簡介（Introduction）

官方原文

本文翻譯了原文并加入了自己的理解。

主要介紹多個 Go協(xié)程之間對同一個變量并發(fā)讀寫時需要注意的同步措施和執(zhí)行順序問題。并列出幾個常見錯誤。

Go 內(nèi)存模型涉及到多個 Go協(xié)程之間對同一個變量的讀寫。

假如有一個變量，其中一個 Go協(xié)程(a) 寫這個變量，另一個 Go協(xié)程(b) 讀這個變量；Go 內(nèi)存模型定義了什么情況下 Go協(xié)程(b) 能夠確保讀取到由 Go協(xié)程(a) 寫入的值。

2. 建議（Advice）

如果多協(xié)程并發(fā)修改數(shù)據(jù)，必須保證各個步驟串行執(zhí)行（序列化訪問）。
為了串行執(zhí)行，可以使用 channel 或其他同步原語（如 sync 和 sync/atomic 兩個包里的那些）來保護(hù)被共享的數(shù)據(jù)。

3. 發(fā)生在…之前（Happens Before）

除了重排序需要理解，其余概念其實沒那么重要，看后面的例子就懂了。

3.1 重排序

當(dāng)只有一個 Go協(xié)程時，對同一個變量的讀寫必然是按照代碼編寫的順序來執(zhí)行的。對于多個變量的讀寫，如果重新排序不影響代碼邏輯的正常執(zhí)行，編譯器和處理器可能會對多個變量的讀寫過程重新排序。

比如對于 a = 1; b = 2 這兩個語句，在同一個 Go協(xié)程里先執(zhí)行哪個其實是沒有區(qū)別的，只要最后執(zhí)行結(jié)果正確就行。

a := 1//1
b := 2//2
c := a + b //3

但是，因為重新排列執(zhí)行順序的情況的存在，會導(dǎo)致**某個 Go協(xié)程所觀察到的執(zhí)行順序可能與另一個 Go協(xié)程觀察到的執(zhí)行順序不一樣。**可能另一個 Go協(xié)程觀察到的事實是 b 的值先被更新，而 a 的值被后更新。

3.2 happens-before

為了表征讀寫需求，我們可以定義 happens-before，用來表示 Go 語言中某一小段內(nèi)存命令的執(zhí)行順序。

如果事件 e1 發(fā)生在事件 e2 之前，此時我們就認(rèn)為 e2 發(fā)生在 e1 之后。
如果事件 e1 既不發(fā)生在事件 e2 之前，也不發(fā)生在 e2 之后，此時我們就認(rèn)為 e1 和 e2 同時發(fā)生（并發(fā)）（并發(fā) ≠ 并行）。

3.3 規(guī)則

在只有一個 Go協(xié)程的內(nèi)部，happens-before的順序就是代碼顯式定義的順序。當(dāng) Go協(xié)程不僅僅局限在一個的時候，存在下面兩個規(guī)則：

如果存在一個變量 v，下面的兩個條件都滿足，則讀操作 r 允許觀察到（可能觀察到，也可能觀察不到）寫操作 w 寫入的值。

r 不在 w 之前發(fā)生；
不存在其他的 w’ 在 w 之后發(fā)生，也不存在 w’ 在 r 之前發(fā)生。

為了保證讀操作 r 讀取到的是寫操作 w 寫入的值，需要確保 w 是唯一允許被 r 觀察到的寫操作。如果下面的兩個條件都滿足，則 r 保證能夠觀察到 w 寫入的值：

w 發(fā)生在 r 之前；
其他對共享變量 v 的寫操作要么發(fā)生在 w 之前，要么發(fā)生在 r 之后。

規(guī)則二的條件比規(guī)則一的條件更為嚴(yán)格，它要求沒有其他的寫操作和 w、r 并發(fā)地發(fā)生。

在一個 Go協(xié)程里是不存在并發(fā)的，因此規(guī)則一和規(guī)則二是等效的：讀操作 r 可以觀察到最近一次寫操作 w 寫入的值。

但是，當(dāng)多個協(xié)程訪問一個共享變量時，就必須使用同步事件來構(gòu)建 happens-before 的條件，從而保證讀操作觀察到的一定是想要的寫操作。

在內(nèi)存模型中，變量 v 的零值初始化操作等同于一個寫操作。

如果變量的值大于單機(jī)器字（CPU 從內(nèi)存單次讀取的字節(jié)數(shù)），那么 CPU 在讀和寫這個變量的時候是以一種不可預(yù)知順序的多次執(zhí)行單機(jī)器字的操作，這也是 sync/atomic 包存在的價值。

4. 同步（Synchronization）

4.1 初始化（Initialization）

程序的初始化是在一個單獨的 Go協(xié)程中進(jìn)行的，但是這個協(xié)程可以創(chuàng)建其他的 Go協(xié)程并且二者并發(fā)執(zhí)行。

每個包都允許有一個 init 函數(shù)，當(dāng)這個包被導(dǎo)入時，會執(zhí)行該包的這個 init 函數(shù)，做一些初始化任務(wù)。

如果一個包 p 導(dǎo)入了包 q，那么 q 的 init 函數(shù)的執(zhí)行發(fā)生在 p的所有 init 函數(shù)的執(zhí)行之前。（即包的引用鏈）
函數(shù) main.main 的執(zhí)行發(fā)生在所有的 init 函數(shù)執(zhí)行完成之后。

4.2 Go協(xié)程的創(chuàng)建（Goroutine creation）

通過 go 語句啟動新的 Go協(xié)程這個動作，發(fā)生在新的 Go協(xié)程的執(zhí)行之前。比如下面的例子：

var a string
func f() {
  print(a)
}
func hello() {
  a = "hello, world"
  go f()
}

調(diào)用函數(shù) hello 會在調(diào)用后的某個時間點打印 “hello, world” ，這個時間點可能在 hello 函數(shù)返回之前，也可能在 hello 函數(shù)返回之后。

4.3 Go協(xié)程的銷毀（Goroutine destruction）

Go協(xié)程的退出無法確保發(fā)生在程序的某個事件之前。比如下面的例子：

var a string
func hello() {
    go func() { a = "hello" }()
    print(a)
}

其中 a 的賦值語句沒有任何的同步措施，因此無法保證被其他任意的 Go 協(xié)程（例如 hello 函數(shù)本身）觀察到這個賦值事件的存在。

一些激進(jìn)的編譯器可能會在編譯階段刪除上面代碼中的整個 go 語句。

如果某個 Go協(xié)程里發(fā)生的事件必須要被另一個 Go協(xié)程觀察到，需要使用同步機(jī)制進(jìn)行保證，比如使用鎖或者信道（channel）通信來構(gòu)建一個相對的事件發(fā)生順序。

4.4 信道通信（Channel communication）

這部分介紹通過 channel 實現(xiàn)并發(fā)順序控制。

有緩存channel

信道通信是多個 Go協(xié)程間事件同步的主要方式。在某個特定的信道上發(fā)送一個數(shù)據(jù)，則對應(yīng)地可以在這個信道上接收一個數(shù)據(jù)，一般情況下是在不同的 Go協(xié)程間發(fā)送與接收。

規(guī)則一：在某個信道上發(fā)送數(shù)據(jù)的事件發(fā)生在相應(yīng)的接收事件之前。
即一定是先發(fā)送數(shù)據(jù)，才能接收到數(shù)據(jù)這個順序。

var c = make(chan int, 10)
var a string
func f() {
  a = "hello, world"
  c <- 0
}
func main() {
  go f()
  <-c
  print(a)
}

上面這段代碼保證了 `hello, world` 的打印。因為信道的寫入事件 `c <- 0` 發(fā)生在讀取事件 `<-c` 之前，而 `<-c` 發(fā)生在 `print(a)`之前。信道未被讀取時協(xié)程會阻塞。

規(guī)則二：信道的關(guān)閉事件發(fā)生在從信道接收到零值（由信道關(guān)閉觸發(fā)）之前。
即一定是先關(guān)閉 channel，才能接收到零值。
在前面的例子中，可以使用 close(c) 來替代 c <- 0 語句來保證同樣的效果。

無緩存 channel

規(guī)則三：對于沒有緩存的信道，數(shù)據(jù)的接收事件發(fā)生在數(shù)據(jù)發(fā)送完成之前。
即信道容量為0時，只有發(fā)送的信息被讀取了才算發(fā)送成功，否則阻塞。
比如下面的代碼（類似上面給出的代碼，但是使用了沒有緩存的信道，且發(fā)送和接收的語句交換了一下）：

var c = make(chan int) //容量為0，無緩存
var a string
func f() {
  a = "hello, world"
  <-c
}
func main() {
  go f()
  c <- 0
  print(a)
}

上面這段代碼依然可以保證可以打印 `hello, world`。因為信道的寫入事件 `c <- 0` 發(fā)生在讀取事件 `<-c` 之前，而 `<-c` 發(fā)生在寫入事件 `c <- 0` 完成之前，同時寫入事件 `c <- 0` 的完成發(fā)生在 `print` 之前。

上面的代碼，如果信道是帶緩存的（比如 `c = make(chan int, 1)`），程序?qū)⒉荒鼙ＷC會打印出 `hello, world`，它可能會打印出空字符串，也可能崩潰退出，或者表現(xiàn)出一些其他的癥狀。

規(guī)則抽象

規(guī)則四：對于容量為 C 的信道，接收第 k 個元素的事件發(fā)生在第 k+C 個元素的發(fā)送之前。
規(guī)則四是規(guī)則三在帶緩存的信道上的推廣。
它使得帶緩存的信道可以模擬出計數(shù)信號量：**信道中元素的個數(shù)表示活躍數(shù)，信道的容量表示最大的可并發(fā)數(shù)；發(fā)送一個元素意味著獲取一個信號量，接收一個元素意味著釋放這個信號量。**這是一種常見的限制并發(fā)的用法。
下面的代碼給工作列表中的每個入口都開啟一個 Go協(xié)程，但是通過配合一個固定長度的信道保證了同時最多有 3 個運行的工作（最多 3 個并發(fā)）。

var limit = make(chan int, 3)
func main() {
  for _, w := range work {
    go func(w func()) {
      limit <- 1  // channel里達(dá)到3個即阻塞
      w()
      <-limit  // 取出后channel里小于3個即可繼續(xù)
    }(w)
  }
  select{}
}

4. 鎖

包 sync 實現(xiàn)了兩類鎖數(shù)據(jù)類型，分別是 sync.Mutex 和 sync.RWMutex，即互斥鎖和讀寫鎖。

規(guī)則一：對于類型為 sync.Mutex 和 sync.RWMutex 的變量 l，如果存在 n 和 m 且滿足 n < m，則 l.Unlock() 的第 n 次調(diào)用返回發(fā)生在l.Lock() 的第 m 次調(diào)用返回之前。

即先解開上一次鎖才能上這一次鎖。

比如下面的代碼：

var l sync.Mutex
var a string
func f() {
  a = "hello, world"
  l.Unlock()
}
func main() {
  l.Lock()
  go f()
  l.Lock()
  print(a)
}

上面這段代碼保證能夠打印 `hello, world`。`l.Unlock()`的第 1 次調(diào)用返回（在函數(shù) f 內(nèi)部）發(fā)生在 `l.Lock()` 的第 2 次調(diào)用返回之前，后者發(fā)生在 `print` 之前。

規(guī)則二：存在類型 sync.RWMutex 的變量 l，如果 l.RLock 的調(diào)用返回發(fā)生在 l.Unlock 的第 n 次調(diào)用返回之后，那么其對應(yīng)的 l.RUnlock 發(fā)生在 l.Lock 的第 n+1 次調(diào)用返回之前。
即讀鎖可以上多次，但是只要沒有全解開就不能上寫鎖，寫鎖只能上一個，不解開讀寫鎖都不能上。

5. 單次運行

包 sync 還提供了 Once 類型用來保證多協(xié)程的初始化的安全。

多個 Go協(xié)程可以并發(fā)執(zhí)行 once.Do(f) 來執(zhí)行函數(shù) f，且只會有一個 Go協(xié)程會運行 f()，其他的 Go 協(xié)程會阻塞到 f() 運行結(jié)束(不再執(zhí)行 f，但能得到運行結(jié)果)

規(guī)則一：函數(shù) f() 在 once.Do(f) 的單次調(diào)用返回發(fā)生在其他所有的 once.Do(f) 調(diào)用返回之前。

比如下面的代碼：

func setup() {
    time.Sleep(time.Second * 2) //1
    a = "hello, world"
    fmt.Println("setup over") //2
}
func doprint() {
    once.Do(setup) //3
    fmt.Println(a) //4
    wg.Done()
}
func twoprint() {
    go doprint()
    go doprint()
}
func main() {
    wg.Add(2)
    twoprint()
    wg.Wait()
}
setup over
hello, world
hello, world

上面代碼使用wg sync.WaitGroup等待兩個goroutine運行完畢，由于 setup over只輸出一次，所以setup方法只運行了一次
函數(shù) setup 函數(shù)的執(zhí)行返回發(fā)生在所有的 print 調(diào)用之前，同時會打印出兩次 hello, world，即當(dāng)一個goroutine在執(zhí)行setup方法時候，另外一個在阻塞。

6. 不正確的同步方式

6.1 案例一

對某個變量的讀操作 r 一定概率可以觀察到對同一個變量的并發(fā)寫操作 w，但是即使這件事情發(fā)生了，也并不意味著發(fā)生在 r 之后的其他讀操作可以觀察到發(fā)生在 w 之前的其他寫操作。（這里的先后指的是代碼里面聲明的操作的先后順序，而不是實際執(zhí)行時候的）

比如下面的代碼：

var a, b int
func f() {
  a = 1
  b = 2
}
func g() {
  print(b)
  print(a)
}
func main() {
  go f()
  g()
}

上面的代碼里函數(shù) g 可能會先打印 2（b的值），然后打印 0（a的值）?？赡艽蠹視J(rèn)為既然 b 的值已經(jīng)被賦值為 2 了，那么 a 的值肯定被賦值為 1 了，但事實是兩個事件的先后在這里是沒有辦法確定的，因為編譯器會改變執(zhí)行順序。

上面的事實可以證明下面的幾個常見的錯誤。

6.2 案例二

雙重檢查鎖定嘗試避免同步帶來的開銷。比如下面的例子，twoprint 函數(shù)可能會被錯誤地編寫為：

var a string
var done bool
func setup() {
  a = "hello, world"
  done = true
}
func doprint() {
  if !done {
    once.Do(setup)
  }
  print(a)
}
func twoprint() {
  go doprint()
  go doprint()
}

在 doprint 函數(shù)中，觀察到對 done 的寫操作并不意味著能夠觀察到對 a 的寫操作。上面的寫法依然有可能打印出空字符串。

6.3 案例三

另一個常見的錯誤用法是對某個值的循環(huán)檢查，比如下面的代碼：

var a string
var done bool
func setup() {
    a = "hello, world"
    done = true
}
func main() {
    go setup()
    for !done {
    }
    print(a)
}

和上一個例子類似，main函數(shù)中觀察到對 done 的寫操作并不意味著可以觀察到對 a 的寫操作，因此上面的代碼依然可能會打印出空字符串。

更糟糕的是，由于兩個 Go協(xié)程之間缺少同步事件，main 函數(shù)甚至可能永遠(yuǎn)無法觀察到對 done 變量的寫操作，導(dǎo)致 main 中的 for 循環(huán)永遠(yuǎn)執(zhí)行下去。

上面這個錯誤有一種變體，如下面的代碼所示：

type T struct {
  msg string
}
var g *T
func setup() {
  t := new(T)
  t.msg = "hello, world"
  g = t
}
func main() {
  go setup()
  for g == nil {
  }
  print(g.msg)
}

上面的代碼即使 main 函數(shù)觀察到 g != nil并且退出了它的 for 循環(huán)，依然沒有辦法保證它可以觀察到被初始化的 g.msg 值。

避免上面幾個錯誤用法的方式是一樣的：顯式使用同步語句。