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工作中,经常会碰到并发读写 map 而造成 panic 的情况,为什么在并发读写的时候,会 panic 呢?因为在并发读写的情况下,map 里的数据会被写乱,之后就是 Garbage in, garbage out,还不如直接 panic 了。

是什么

Go 语言原生 map 并不是线程安全的,对它进行并发读写操作的时候,需要加锁。而 sync.map 则是一种并发安全的 map,在 Go 1.9 引入。

sync.map 是线程安全的,读取,插入,删除也都保持着常数级的时间复杂度。
sync.map 的零值是有效的,并且零值是一个空的 map。在第一次使用之后,不允许被拷贝。

有什么用

一般情况下解决并发读写 map 的思路是加一把大锁,或者把一个 map 分成若干个小 map,对 key 进行哈希,只操作相应的小 map。前者锁的粒度比较大,影响效率;后者实现起来比较复杂,容易出错。

而使用 sync.map 之后,对 map 的读写,不需要加锁。并且它通过空间换时间的方式,使用 read 和 dirty 两个 map 来进行读写分离,降低锁时间来提高效率。

如何使用

使用非常简单,和普通 map 相比,仅遍历的方式略有区别:

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main()  {
    var m sync.Map
    // 1. 写入
    m.Store("qcrao", 18)
    m.Store("stefno", 20)

    // 2. 读取
    age, _ := m.Load("qcrao")
    fmt.Println(age.(int))

    // 3. 遍历
    m.Range(func(key, value interface{}) bool {
        name := key.(string)
        age := value.(int)
        fmt.Println(name, age)
        return true
    })

    // 4. 删除
    m.Delete("qcrao")
    age, ok := m.Load("qcrao")
    fmt.Println(age, ok)

    // 5. 读取或写入
    m.LoadOrStore("stefno", 100)
    age, _ = m.Load("stefno")
    fmt.Println(age)
}

第 1 步,写入两个 k-v 对;

第 2 步,使用 Load 方法读取其中的一个 key;

第 3 步,遍历所有的 k-v 对,并打印出来;

第 4 步,删除其中的一个 key,再读这个 key,得到的就是 nil;

第 5 步,使用 LoadOrStore,尝试读取或写入 "Stefno",因为这个 key 已经存在,因此写入不成功,并且读出原值。

程序输出:

18
stefno 20
qcrao 18
<nil> false
20

sync.map 适用于读多写少的场景。对于写多的场景,会导致 read map 缓存失效,需要加锁,导致冲突变多;而且由于未命中 read map 次数过多,导致 dirty map 提升为 read map,这是一个 O(N) 的操作,会进一步降低性能。

源码分析

数据结构

先来看下 map 的数据结构。去掉大段的注释后:

type Map struct {
    mu Mutex
    read atomic.Value // readOnly
    dirty map[interface{}]*entry
    misses int
}

互斥量 mu 保护 read 和 dirty。

read 是 atomic.Value 类型,可以并发地读。但如果需要更新 read,则需要加锁保护。对于 read 中存储的 entry 字段,可能会被并发地 CAS 更新。但是如果要更新一个之前已被删除的 entry,则需要先将其状态从 expunged 改为 nil,再拷贝到 dirty 中,然后再更新。

dirty 是一个非线程安全的原始 map。包含新写入的 key,并且包含 read 中的所有未被删除的 key。这样,可以快速地将 dirty 提升为 read 对外提供服务。如果 dirty 为 nil,那么下一次写入时,会新建一个新的 dirty,这个初始的 dirtyread 的一个拷贝,但除掉了其中已被删除的 key。

每当从 read 中读取失败,都会将 misses 的计数值加 1,当加到一定阈值以后,需要将 dirty 提升为 read,以期减少 miss 的情形。

read mapdirty map 的存储方式是不一致的。
前者使用 atomic.Value,后者只是单纯的使用 map。
原因是 read map 使用 lock free 操作,必须保证 load/store 的原子性;而 dirty map 的 load+store 操作是由 lock(就是 mu)来保护的。

真正存储 key/value 的是 read 和 dirty 字段。read 使用 atomic.Value,这是 lock-free 的基础,保证 load/store 的原子性。dirty 则直接用了一个原始的 map,对于它的 load/store 操作需要加锁。

read 字段里实际上是存储的是:

// readOnly is an immutable struct stored atomically in the Map.read field.
type readOnly struct {
    m       map[interface{}]*entry
    amended bool // true if the dirty map contains some key not in m.
}

注意到 read 和 dirty 里存储的东西都包含 entry,来看一下:

type entry struct {
    p unsafe.Pointer // *interface{}
}

很简单,它是一个指针,指向 value。看来,read 和 dirty 各自维护一套 key,key 指向的都是同一个 value。也就是说,只要修改了这个 entry,对 read 和 dirty 都是可见的。这个指针的状态有三种:

p 的三种状态

p == nil 时,说明这个键值对已被删除,并且 m.dirty == nil,或 m.dirty[k] 指向该 entry。

p == expunged 时,说明这条键值对已被删除,并且 m.dirty != nil,且 m.dirty 中没有这个 key。

其他情况,p 指向一个正常的值,表示实际 interface{} 的地址,并且被记录在 m.read.m[key] 中。如果这时 m.dirty 不为 nil,那么它也被记录在 m.dirty[key] 中。两者实际上指向的是同一个值。


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