Go 併發程式設計 - 併發安全（二）

燈火消逝的碼頭發表於2023-10-31
Go程式設計

什麼是併發安全

併發情況下，多個執行緒或協程會同時操作同一個資源，例如變數、資料結構、檔案等。如果不保證併發安全，就可能導致資料競爭、髒讀、髒寫、死鎖、活鎖、飢餓等一系列併發問題，產生重大的安全隱患，比如12306搶到同一張火車票、多個使用者搶到只剩一件庫存的商品。而併發安全就是為了避免這些問題。Golang 中有一些原則和工具來保證併發安全，例如：

  1. 遵循“透過通訊來共享記憶體，而不是透過共享記憶體通訊”的理念，儘量使用 channel 來傳遞資料，而不是使用共享變數。
  2. 如果必須使用共享變數，那麼要使用合理的鎖來避免資料競爭。
  3. 如果使用鎖，要注意鎖的粒度和範圍，儘量減少鎖的持有時間和影響範圍，避免死鎖和活鎖。

關於更為詳細的併發安全性：可以參考：理解Golang 賦值的併發安全性。

資源競爭

所有資源競爭就是多個 goroutine 訪問某個共享的資源，我們來看一個資源競爭的例子：

var wg sync.WaitGroup

func add(count *int) {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		*count = *count + 1
	}
}

func main() {
	count := 0
	wg.Add(3)
	for i := 0; i < 3; i++ {
		go add(&count)
	}

	wg.Wait()
	fmt.Println(count)
}

該程式的每一次執行結果都不同， 就是因為協程之間出現了資源競爭，在讀取更新 count 這個過程中，被其他協程橫插了一腳，改變了 count 的值，沒有保證原子性。下面我們透過互斥鎖來鎖住在讀取更新過程的 count 的值，來使 count 的值列印正確。

互斥鎖和讀寫互斥鎖

sync 包提供了透過 sync.Mutex 和 sync.RWMutex 來實現互斥鎖和讀寫互斥鎖。

sync 互斥鎖（sync.Mutex）是一種最簡單的鎖型別，當一個 goroutine 獲得了資源後，其他 goroutine 就只能等待這個 goroutine 釋放該資源。互斥鎖可以保證對共享資源的原子訪問，避免併發衝突。

sync 讀寫互斥鎖（sync.RWMutex）是一種更復雜的鎖型別，它允許多個 goroutine 同時獲取讀鎖，但只允許一個 goroutine 獲取寫鎖。讀寫互斥鎖適用於讀多寫少的場景下，它比互斥鎖更高效。

sync.Mutex

sync.Mutex 使用 Lock() 加鎖，Unlock() 解鎖，如果對未解鎖的 Mutex 使用 Lock() 會阻塞當前程式執行，我們來看加入了互斥鎖後的程式：

var wg sync.WaitGroup
var l sync.Mutex

func add(count *int) {
	defer wg.Done()
	l.Lock() // 鎖住 count 資源，阻塞程式執行，直到 Unlock
	for i := 0; i < 10000; i++ {
		*count = *count + 1
	}
	l.Unlock()
}

func main() {
	count := 0
	wg.Add(3)
	for i := 0; i < 3; i++ {
		go add(&count)
	}

	wg.Wait()
	fmt.Println(count)
}

sync.RWMutex

  1. RWMutex 是單寫多讀鎖，該鎖可以加多個讀鎖或者一個寫鎖。
  2. 讀鎖佔用的情況下會阻止寫，不會阻止讀，多個 goroutine 可以同時獲取資源，使用 RLock 和 RUnlock 加鎖解鎖。
  3. 寫鎖會阻止其他 goroutine 進來，讀寫不論，整個鎖住的資源由該 goroutine 獨佔，使用 Lock 和 Unlock 加鎖解鎖。
  4. 應該只在頻繁讀取，少量寫入的情況下使用讀寫互斥鎖
var m sync.RWMutex
var i = 0

func main() {
	go write()
	go write()
	go read()
	go read()
	go read()
	time.Sleep(2 * time.Second)
}

func read() {
	fmt.Println(i, "我準備獲取讀鎖了")
	m.RLock()
	fmt.Println(i, "我要開始讀資料了，所有寫資料的都需要等待1s")
	time.Sleep(1 * time.Second)
	m.RUnlock()
	fmt.Println(i, "我已經釋放了讀鎖，可以繼續寫資料了")
}

func write() {
	fmt.Println(i, "我準備獲取寫鎖了")
	m.Lock()
	fmt.Println(i, "我要開始寫資料了，所有人都需要等待1s")
	time.Sleep(1 * time.Second)
	i++
	m.Unlock()
	fmt.Println(i, "我已經釋放了寫鎖，你們可以繼續了")
}

// 結果
0 我準備獲取讀鎖了
0 我要開始讀資料了，所有寫資料的都需要等待1s
0 我準備獲取讀鎖了
0 我要開始讀資料了，所有寫資料的都需要等待1s
0 我準備獲取讀鎖了
0 我要開始讀資料了，所有寫資料的都需要等待1s
0 我準備獲取寫鎖了
0 我準備獲取寫鎖了
0 我已經釋放了讀鎖，可以繼續寫資料了
0 我已經釋放了讀鎖，可以繼續寫資料了
0 我已經釋放了讀鎖，可以繼續寫資料了
0 我要開始寫資料了，所有人都需要等待1s
1 我已經釋放了寫鎖，你們可以繼續了

讀寫互斥鎖有點難以理解，但是隻要記住讀寫互斥永遠是互斥的，就理解了大半。為了應對讀鎖長久佔用，導致寫鎖遲遲不能更新資料，導致併發飢餓問題，所以在 Golang 的讀寫互斥鎖中，寫鎖比讀鎖優先順序更高。

sync.once

sync.once 是一個極為強大的功能，它可以確保一個函式只能被執行一次。通常做來在併發執行前初始化一次的共享資源。

func main() {
	once := &sync.Once{}
	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func(i int) {
			once.Do(func() {
				fmt.Printf("i的值 %d\n", i)
			})
		}(i)
	}

	time.Sleep(1 * time.Second)
}

這段程式碼始終只會列印一次 i 的值。

原子操作

為了實現變數值的併發情況下安全賦值，除了互斥鎖外，Golang 還提供了 atomic 包，他能保證在變數在讀寫時不受其他 goroutine 影響。atomic 是透過 CPU 指令在硬體層面上實現的，比互斥鎖效能更好。當然，互斥鎖一般來說是對程式碼塊的併發控制，atomic 是對某個變數的併發控制，二者側重點不同。另外，atomic 是一個很底層的包，除非在一些非常追求的效能的地方，否則其他地方都不推薦使用。

atomic.Add

add 方法比較容易理解，就是對一個值進行增加操作：

func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)
func AddInt64(addr *int64, delta int64) (new int64)
func AddUint32(addr *uint32, delta uint32) (new uint32)
func AddUint64(addr *uint64, delta uint64) (new uint64)
func AddUintptr(addr *uintptr, delta uintptr) (new uintptr)

使用示例：

var a int32 = 1
atomic.AddInt32(&a, 2)
fmt.Println(a)          // 輸出3
atomic.AddInt32(&a, -1) // delta 是負值的話會減少該值
fmt.Println(a)          // 輸出2

atomic.CompareAndSwap

CompareAndSwap用作比較置換值，如果等於，則更新值，返回 true，否則返回 false:

func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)
func CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64) (swapped bool)
func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool)
func CompareAndSwapUint32(addr *uint32, old, new uint32) (swapped bool)
func CompareAndSwapUint64(addr *uint64, old, new uint64) (swapped bool)
func CompareAndSwapUintptr(addr *uintptr, old, new uintptr) (swapped bool)

使用示例：

var (
	a int32 = 1
	b bool
)
b = atomic.CompareAndSwapInt32(&a, 1, 2)
fmt.Println(a) // 輸出2
fmt.Println(b) // 輸出true
b = atomic.CompareAndSwapInt32(&a, 1, 3)
fmt.Println(a) // 輸出2
fmt.Println(b) // 輸出false

atomic.Swap

Swap方法不比較，直接置換值：

func SwapInt32(addr *int32, new int32) (old int32)
func SwapInt64(addr *int64, new int64) (old int64)
func SwapPointer(addr *unsafe.Pointer, new unsafe.Pointer) (old unsafe.Pointer)
func SwapUint32(addr *uint32, new uint32) (old uint32)
func SwapUint64(addr *uint64, new uint64) (old uint64)
func SwapUintptr(addr *uintptr, new uintptr) (old uintptr)

使用示例：

var (
	a   int32 = 1
	old int32
)
old = atomic.SwapInt32(&a, 2)
fmt.Println(a)   // 輸出2
fmt.Println(old) // 輸出1

atomic.Load

Load 用來讀取值：

func LoadInt32(addr *int32) (val int32)
func LoadInt64(addr *int64) (val int64)
func LoadPointer(addr *unsafe.Pointer) (val unsafe.Pointer)
func LoadUint32(addr *uint32) (val uint32)
func LoadUint64(addr *uint64) (val uint64)
func LoadUintptr(addr *uintptr) (val uintptr)

使用示例：

var (
	a     int32 = 1
	value int32
)
value = atomic.LoadInt32(&a)
fmt.Println(value) // 輸出1

atomic.Store

Store 用來將一個值存到變數中，Load 不會讀取到存到一半的值：

func StoreInt32(addr *int32, val int32)
func StoreInt64(addr *int64, val int64)
func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer)
func StoreUint32(addr *uint32, val uint32)
func StoreUint64(addr *uint64, val uint64)
func StoreUintptr(addr *uintptr, val uintptr)

使用示例：

var a int32
atomic.StoreInt32(&a, 1)
fmt.Println(a) // 輸出1

atomic.Value

Value 實現了對任意值的儲存、讀取、置換、比較置換：

func (v *Value) Store(val any)
func (v *Value) Load() (val any)
func (v *Value) Swap(new any) (old any)
func (v *Value) CompareAndSwap(old, new any)

使用示例：

var v atomic.Value
v.Store(1)
fmt.Println(v.Load()) // 1
v.Swap(2)
fmt.Println(v.Load()) // 2
b := v.CompareAndSwap(2, 3)
fmt.Println(v.Load()) // 3
fmt.Println(b)

使用Swap置換值時，必須要保持原有的資料型別，否則就會 panic: sync/atomic: swap of inconsistently typed value into Value [recovered]。

需要注意的是，atomic.value 對於複雜的資料結構不能保證原子操作，如切片、對映等。

sync.map

go 在併發下，同時讀 map 是安全的，但是讀寫 map 會引發競爭，導致 panic: fatal error: concurrent map read and map write。

// 建立一個map
m := make(map[int]int)
// 開啟兩個協程不停的對map寫入資料
go func() {
	for {
		m[1] = 1
	}
}()
go func() {
	for {
		_ = m[1]
	}
}()
for {
}

// 結果
fatal error: concurrent map read and map write

為瞭解決這個問題，可以在寫 map 之前加入鎖：

l := sync.Mutex{}

l.Lock()
m[1] = 1
l.Unlock()

這樣處理程式上執行是沒問題了，但是效能並不高。go 在 1.9 版本中加入了效率較高的併發安全：sync.map：

func (m *Map) Store(key, value any) // 儲存一個資料
func (m *Map) Load(key any) (value any, ok bool) // 讀取一個資料
func (m *Map) Delete(key any) // 刪除一個資料
func (m *Map) Range(f func(key, value any) bool) // 遍歷資料

例項：

var smap sync.Map
// 儲存資料
smap.Store("shanghai", 40000)
smap.Store("nanjing", 10000)
smap.Store("wuhan", 20000)
smap.Store("shenzhen", 30000)
// 讀取值
if v, ok := smap.Load("nanjing"); ok {
	fmt.Printf("鍵名：%s，值：%v\n", "nanjing", v)
}
// 刪除
smap.Delete("wuhan")
if v, ok := smap.Load("wuhan"); !ok {
	fmt.Printf("鍵名：%s，值：%v\n", "wuhan", v)
}
// 遍歷資料
smap.Range(func(k, v interface{}) bool {
	fmt.Printf("鍵名：%s，值：%v\n", k, v)
	return true
})

// 結果
鍵名：nanjing，值：10000
鍵名：wuhan，值：<nil>
鍵名：shenzhen，值：30000
鍵名：shanghai，值：40000
鍵名：nanjing，值：10000

sync.map 並沒有獲取長度的方法，只能在遍歷的時候自行計算。

本系列文章：

  1. Go 併發程式設計 - Goroutine 基礎 （一）
  2. Go 併發程式設計 - 併發安全（二）
  3. Go 併發程式設計 - runtime 協程排程（三）

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