Go语言竞争状态
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2023-03-14
有并发,就有资源竞争,如果两个或者多个 goroutine 在没有相互同步的情况下,访问某个共享的资源,比如同时对该资源进行读写时,就会处于相互竞争的状态,这就是并发中的资源竞争。
并发本身并不复杂,但是因为有了资源竞争的问题,就使得我们开发出好的并发程序变得复杂起来,因为会引起很多莫名其妙的问题。
下面的代码中就会出现竞争状态:
代码中的 runtime.Gosched() 是让当前 goroutine 暂停的意思,退回执行队列,让其他等待的 goroutine 运行,目的是为了使资源竞争的结果更明显。
下面我们来分析一下程序的运行过程,将两个 goroutine 分别假设为 g1 和 g2:
通过上面的分析可以看出,之所以出现上面的问题,是因为两个 goroutine 相互覆盖结果。
所以我们对于同一个资源的读写必须是原子化的,也就是说,同一时间只能允许有一个 goroutine 对共享资源进行读写操作。
共享资源竞争的问题,非常复杂,并且难以察觉,好在 Go 为我们提供了一个工具帮助我们检查,这个就是
在
另外两个有用的原子函数是 LoadInt64 和 StoreInt64。这两个函数提供了一种安全地读和写一个整型值的方式。下面是代码就使用了 LoadInt64 和 StoreInt64 函数来创建一个同步标志,这个标志可以向程序里多个 goroutine 通知某个特殊状态。
示例代码如下所示:
并发本身并不复杂,但是因为有了资源竞争的问题,就使得我们开发出好的并发程序变得复杂起来,因为会引起很多莫名其妙的问题。
下面的代码中就会出现竞争状态:
package main import ( "fmt" "runtime" "sync" ) var ( count int32 wg sync.WaitGroup ) func main() { wg.Add(2) go incCount() go incCount() wg.Wait() fmt.Println(count) } func incCount() { defer wg.Done() for i := 0; i < 2; i++ { value := count runtime.Gosched() value++ count = value } }这是一个资源竞争的例子,大家可以将程序多运行几次,会发现结果可能是 2,也可以是 3,还可能是 4。这是因为 count 变量没有任何同步保护,所以两个 goroutine 都会对其进行读写,会导致对已经计算好的结果被覆盖,以至于产生错误结果。
代码中的 runtime.Gosched() 是让当前 goroutine 暂停的意思,退回执行队列,让其他等待的 goroutine 运行,目的是为了使资源竞争的结果更明显。
下面我们来分析一下程序的运行过程,将两个 goroutine 分别假设为 g1 和 g2:
- g1 读取到 count 的值为 0;
- 然后 g1 暂停了,切换到 g2 运行,g2 读取到 count 的值也为 0;
- g2 暂停,切换到 g1,g1 对 count+1,count 的值变为 1;
- g1 暂停,切换到 g2,g2 刚刚已经获取到值 0,对其 +1,最后赋值给 count,其结果还是 1;
- 可以看出 g1 对 count+1 的结果被 g2 给覆盖了,两个 goroutine 都 +1 而结果还是 1。
通过上面的分析可以看出,之所以出现上面的问题,是因为两个 goroutine 相互覆盖结果。
所以我们对于同一个资源的读写必须是原子化的,也就是说,同一时间只能允许有一个 goroutine 对共享资源进行读写操作。
共享资源竞争的问题,非常复杂,并且难以察觉,好在 Go 为我们提供了一个工具帮助我们检查,这个就是
go build -race
命令。在项目目录下执行这个命令,生成一个可以执行文件,然后再运行这个可执行文件,就可以看到打印出的检测信息。
在
go build
命令中多加了一个
-race
标志,这样生成的可执行程序就自带了检测资源竞争的功能,运行生成的可执行文件,效果如下所示:
==================
WARNING: DATA RACE
Read at 0x000000619cbc by goroutine 8:
main.incCount()
D:/code/src/main.go:25 +0x80
Previous write at 0x000000619cbc by goroutine 7:
main.incCount()
D:/code/src/main.go:28 +0x9f
Goroutine 8 (running) created at:
main.main()
D:/code/src/main.go:17 +0x7e
Goroutine 7 (finished) created at:
main.main()
D:/code/src/main.go:16 +0x66
==================
4
Found 1 data race(s)
value := count
,而这时 goroutine 7 在代码 28 行修改共享资源
count = value
,而这两个 goroutine 都是从 main 函数的 16、17 行通过 go 关键字启动的。
锁住共享资源
Go语言提供了传统的同步 goroutine 的机制,就是对共享资源加锁。atomic 和 sync 包里的一些函数就可以对共享的资源进行加锁操作。原子函数
原子函数能够以很底层的加锁机制来同步访问整型变量和指针,示例代码如下所示:package main import ( "fmt" "runtime" "sync" "sync/atomic" ) var ( counter int64 wg sync.WaitGroup ) func main() { wg.Add(2) go incCounter(1) go incCounter(2) wg.Wait() //等待goroutine结束 fmt.Println(counter) } func incCounter(id int) { defer wg.Done() for count := 0; count < 2; count++ { atomic.AddInt64(&counter, 1) //安全的对counter加1 runtime.Gosched() } }上述代码中使用了 atmoic 包的 AddInt64 函数,这个函数会同步整型值的加法,方法是强制同一时刻只能有一个 gorountie 运行并完成这个加法操作。当 goroutine 试图去调用任何原子函数时,这些 goroutine 都会自动根据所引用的变量做同步处理。
另外两个有用的原子函数是 LoadInt64 和 StoreInt64。这两个函数提供了一种安全地读和写一个整型值的方式。下面是代码就使用了 LoadInt64 和 StoreInt64 函数来创建一个同步标志,这个标志可以向程序里多个 goroutine 通知某个特殊状态。
package main import ( "fmt" "sync" "sync/atomic" "time" ) var ( shutdown int64 wg sync.WaitGroup ) func main() { wg.Add(2) go doWork("A") go doWork("B") time.Sleep(1 * time.Second) fmt.Println("Shutdown Now") atomic.StoreInt64(&shutdown, 1) wg.Wait() } func doWork(name string) { defer wg.Done() for { fmt.Printf("Doing %s Work\n", name) time.Sleep(250 * time.Millisecond) if atomic.LoadInt64(&shutdown) == 1 { fmt.Printf("Shutting %s Down\n", name) break } } }上面代码中 main 函数使用 StoreInt64 函数来安全地修改 shutdown 变量的值。如果哪个 doWork goroutine 试图在 main 函数调用 StoreInt64 的同时调用 LoadInt64 函数,那么原子函数会将这些调用互相同步,保证这些操作都是安全的,不会进入竞争状态。
互斥锁
另一种同步访问共享资源的方式是使用互斥锁,互斥锁这个名字来自互斥的概念。互斥锁用于在代码上创建一个临界区,保证同一时间只有一个 goroutine 可以执行这个临界代码。示例代码如下所示:
package main import ( "fmt" "runtime" "sync" ) var ( counter int64 wg sync.WaitGroup mutex sync.Mutex ) func main() { wg.Add(2) go incCounter(1) go incCounter(2) wg.Wait() fmt.Println(counter) } func incCounter(id int) { defer wg.Done() for count := 0; count < 2; count++ { //同一时刻只允许一个goroutine进入这个临界区 mutex.Lock() { value := counter runtime.Gosched() value++ counter = value } mutex.Unlock() //释放锁,允许其他正在等待的goroutine进入临界区 } }同一时刻只有一个 goroutine 可以进入临界区。之后直到调用 Unlock 函数之后,其他 goroutine 才能进去临界区。当调用 runtime.Gosched 函数强制将当前 goroutine 退出当前线程后,调度器会再次分配这个 goroutine 继续运行。