浅谈 Golang 中数据的并发同步问题(三)
搁浅~ 2019-08-05 18:53:45 Go语言  收藏
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写在前面

过去 Web 开发的工作比较少涉及到并发的问题,每个用户请求在独立的线程里面进行,偶尔涉及到异步任务但是线程间数据同步模型非常简单,因此并未深入探究过并发这一块。最近在写游戏相关的服务端代码时发现数据的并发同步场景非常多,因此花了一点时间来探索。这是一个系列文章,本文为第三篇。

本文简单介绍 Golang 中 map 类型的安全使用。

Golang 中 map 的使用

在业务逻辑中保存 key-value 是一个非常普遍的需求,因此 Map 的使用场景非常多。

不允许并发读写的 map

在 Golang 源码实现中对 map 的要求比较高(见《 Go maps in action》):Maps are not safe for concurrent use: it's not defined what happens when you read and write to them simultaneously(当并发使用时 Maps 是不安全的,当并发地读写 map 的时候无法预知会发生啥 )。

如果不加保护地在不同的线程中读写 map 类型的数据,代码会直接崩溃并异常退出。比如下面的代码:

package main

func main() {
	m := make(map[int]int)
	go func() {
		for {
			_ = m[1]
		}
	}()
	go func() {
		for {
			m[2] = 1
		}
	}()
	select {}
}

运行上面的代码可以得到下面类似的结果:

go run map/main.go 
# fatal error: concurrent map read and map write
# ....(省略异常堆栈)

从输出结果来看,Golang 运行时明确禁止 map 的并发读写,且在检测到这种情况后直接异常退出。这不同于其他数据类型,比如 intstring 等,对比下面的代码(说明:下面的代码存在隐形的并发问题,具体参考《》):

// 运行下面的代码并不会异常退出,不同于上面 map 类型的 m 的使用
// go run main.go 
package main

func main() {
	var m int
	go func() {
		for {
			_ = m
		}
	}()
	go func() {
		for {
			m = 1
		}
	}()
	select {}
}

再次需要说明,虽然上面的代码在不同的线程中访问 int 类型的数据并未直接异常退出,但是这种不加任何安全措施的并发读写是存在安全风险的,具体参考《》。

安全使用 map——显而易见地加锁

既然 Golang 在运行时不允许对 map 的并发读写,当需要在多个线程中读写 map 时,显而易见的方式是加锁(如《》所描述的)。

下面的代码把 map 类型的 m 封装在一个匿名的 struct 中,同时整个匿名的 struct 继承了 sync.RWMutex 结构,因此拥有了 加读写锁 的功能,从而安全地实现了多个线程对 map 的 “并发读写”:

package main

import (
	"sync"
)

func main() {
	var counter = struct {
		sync.RWMutex
		m map[string]int
	}{m: make(map[string]int)}

	go func() {
		for {
			counter.RLock()
			_ = counter.m["some_key"]
			counter.RUnlock()
		}
	}()
	go func() {
		for {
			counter.Lock()
			counter.m["some_key"]++
			counter.Unlock()
		}
	}()
	select {}
}

为什么 map 并发读写时会在运行时异常退出

最后提一下这个问题:为什么 int、string、slice 等变量在多个线程读写时运行正常,而 map 在多个线程并发读写时会运行时异常退出? 其实这个涉及到 map 的具体实现(我知道这是一句废话 +_+)。

简单来讲,可以从 Go 源码中 map 运行时相关的部分 窥见一些依据:map 的增改删查可以分别对应到 func mapassign()func mapaccess1()func mapdelete()这几个函数,每个函数都有非常长的执行逻辑;如果多个线程并发读写同一个 map,大概率会出现 ① mapassign 函数(增加某个 key 的值)执行到一半的时候 mapaccess1 读取到一个相应的零值,② mapaccess1 函数(读取某个 key 的值)执行到一半的时候 mapdelete 已经删除了对应的 key,等等。

同时考虑到增删数据时底层数据的改变(比如扩容重分配,这一块还没深入研究,可以自行查看源码 =。=),因此保持 map 的单纯变得很重要;为避免出现难以 debug 的异常,运行时环境显式地并发异常退出也就可以理解了。

小结

Golang 的运行时会在 map 的增改删查过程中检测是否有并发读写的情况,当发现并发读写时直接异常退出。相对于其他数据类型(比如 int、string、slice 等),map 的并发使用是比较严苛的(安全 & 性能的折中);可以认为 map 的这种严苛很大程度上降低了诡异 bug 的产生,增加代码的鲁棒性。

最后,当提到 map 的并发使用时,很多时候会提到 sync.Map 的使用,不过由于它大量使用了 interface{} 类型,使用起来并不是那么方便;目前为止,我更喜欢加读写锁的方式来使用 map 而不是使用线程安全的 sync.Map ?

参考