go语言happens-before原则及应用

了解go中happens-before规则，寻找并发程序不确定性中的确定性。

引言

先抛开你所熟知的信号量、锁、同步原语等技术，思考这个问题：如何保证并发读写的准确性？一个没有任何并发编程经验的程序员可能会觉得很简单：这有什么问题呢，同时读写能有什么问题，最多就是读到过期的数据而已。一个理想的世界当然是这样，只可惜实际上的机器世界往往隐藏了很多不容易被察觉的事情。至少有两个行为会影响这个结论：

• 编译器往往有指令重排序的优化；例如程序员看到的源代码是a=3; b=4;，而实际上执行的顺序可能是b=4; a=3；，这是因为编译器为了优化执行效率可能对指令进行重排序；
• 高级编程语言所支持的运算往往不是原子化的；例如a += 3实际上包含了读变量、加运算和写变量三次原子操作。既然整个过程并不是原子化的，就意味着随时有其它“入侵者”侵入修改数据。更为隐藏的例子：对于变量的读写甚至可能都不是原子化的。不同机器读写变量的过程可能是不同的，有些机器可能是64位数据一次性读写，而有些机器是32位数据一次读写。这就意味着一个64位的数据在后者的读写上实际上是分成两次完成的！试想，如果你试图读取一个64位数据的值，先读取了低32的数据，这时另一个线程切进来修改了整个数据的值，最后你再读取高32的值，将高32和低32的数据拼成完整的值，很明显会得到一个预期以外的数据。

看起来，整个并发编程的世界里一切都是不确定的，我们不知道每次读取的变量到底是不是及时、准确的数据。幸运的是，很多语言都有一个happens-before的规则，能帮助我们在不确定的并发世界里寻找一丝确定性。

happens-before

你可以把happens-before看作一种特殊的比较运算，就好像>、<一样。对应的，还有happens-after，它们之间的关系也好像>、<一样：

如果a happens-before b，那么b happens-after a

那是否存在既不满足a happens-before b，也不满足b happens-before a的情况呢，就好像既不满足a>b，也不满足b>a（意味着b==a)？当然是肯定的，这种情况称为：a和b happen concurrently，也就是同时发生，这就回到我们之前所熟知的世界里了。

happens-before有什么用呢？它可以用来帮助我们厘清两个并发读写之间的关系。对于并发读写问题，我们最关心的经常是reader是否能准确观察到writer写入的值。happens-before正是为这个问题设计的，具体来说，要想让某次读取r准确观察到某次写入w，只需满足：

1. w happens-before r；
2. 对变量的其它写入w1，要么w1 happens-before w，要么r happens-before w1；简单理解就是没有其它写入覆盖这次写入；

只要满足这两个条件，那我们就可以自信地肯定我们一定能读取到正确的值。

一个新的问题随之诞生：那如何判断a happens-before b是否成立呢？你可以类比思考数学里如何判断a > b是否成立的过程，我们的做法很简单：

1. 基于一些简单的公理；例如自然数的自然大小：3>2>1
2. 基于比较运算符的传递性，也就是如果a>b且b>c，则a>c

判断a happens-before b的过程也是类似的：根据一些简单的明确的happens-before关系，再结合happens-before的传递性，推导出我们所关心的w和r之间的happens-before关系。

happens-before传递性：如果a happens-before b，且b happens-before c，则a happens-before c

因此我们只需要了解这些明确的happens-before关系，就能在并发世界里寻找到宝贵的确定性了。

go语言中的happens-before关系

具体的happens-before关系是因语言而异的，这里只介绍go语言相关的规则，感兴趣可以直接阅读官方文档，有更完整、准确的说明。

自然执行

首先，最简单也是最直观的happens-before规则：

在同一个goroutine里，书写在前的代码happens-before书写在后的代码。

例如：

a = 3; // (1)
b = 4; // (2)

则(1) happens-before (2)。我们上面提到指令重排序，也就是实际执行的顺序与书写的顺序可能不一致，但happens-before与指令重排序并不矛盾，即使可能发生指令重排序，我们依然可以说（1) happens-before (2)。

初始化

每个go文件都可以有一个init方法，用于执行某些初始化逻辑。当我们开始执行某个main方法时，go会先在一个goroutine里做初始化工作，也就是执行所有go文件的init方法，这个过程中go可能创建多个goroutine并发地执行，因此通常情况下各个init方法是没有happens-before关系的。关于init方法有两条happens-before规则：

1.a 包导入了 b包，此时b包的init方法happens-before a包的所有代码；
2.所有init方法happens-before main方法；

goroutine

goroutine相关的规则主要是其创建和销毁的：

1.goroutine的创建 happens-before 其执行；
2.goroutine的完成不保证happens-before任何代码；

第一条规则举个简单的例子即可：

var a string

func f() {
    fmt.Println(a) // (1)
}

func hello() {
    a = "hello, world" // (2)
    go f() // (3)
}

因为goroutine的创建 happens-before 其执行，所以(3) happens-before (1)，又因为自然执行的规则(2) happens-before (3)，根据传递性，所以(2) happens-before (1)，这样保证了我们每次打印出来的都是"hello world"而不是空字符串。

第二条规则是少见的否定句式，同样举个简单的例子：

var a string

func hello() {
    go func() { a = "hello" }() // (1)
    fmt.Println(a) // (2)
}

由于goroutine的完成不保证happens-before任何代码，因此(1) happens-before (2)不成立，这样我们就不能保证每次打印的结果都是"hello"。

通道

通道channel是go语言中用于goroutine之间通信的主要渠道，因此理解通道之间的happens-before规则也至关重要。

1.对于缓冲通道，向通道发送数据happens-before从通道接收到数据

结合一个例子：

var c = make(chan int, 10)
var a string

func f() {
    a = "hello, world" // (1)
    c <- 0 // (2)
}

func main() {
    go f() // (3)
    <-c // (4)
    fmt.Println(a) // (5)
}

c是一个缓冲通道，因此向通道发送数据happens-before从通道接收到数据，也就是(2) happens-before (4)，再结合自然执行规则以及传递性不难推导出(1) happens-before (5)，也就是打印的结果保证是"hello world"。
有趣的是，如果我们把c的定义改为var c = make(chan int)也就是无缓冲通道，上面的结论就不存在了（注1），打印的结果不一定为"hello world"，这是因为：

2.对于无缓冲通道，从通道接收数据happens-before向通道发送数据

我们可以将上述例子稍微调整下：

var c = make(chan int)
var a string

func f() {
    a = "hello, world" // (1)
    <- c // (2)
}

func main() {
    go f() // (3)
    c <- 10 // (4)
    fmt.Println(a) // (5)
}

对于无缓冲通道，(2) happens-before (4)，再根据传递性，(1) happens-before (5)，因此依然可以保证打印的结果是"hello world"。

可以这么理解这两者的差异，缓冲通道的目的是缓冲发送方发送的数据，这就意味着发送方很可能先发送数据，过一段时间后接收方才接收，或者发送方发送的速度超过接收方接收的速度，因此缓冲通道的发送happens-before接收就自然而然了；相反，非缓冲通道是没有缓冲区的，先发起的发送方和接收方都会阻塞至另一方准备好，如果我们使用了非缓冲通道，则意味着我们认为我们的场景下接收发生在发送之前，否则我们就会使用缓冲通道了，因此非缓冲通道的接收happens-before发送。

3.对于缓冲通道，第k次接收happens-before第k+C次发送，C是缓冲通道的容量

这条规则是缓冲通道的通用规则（有趣的是，上面针对非缓冲通道的第2条规则也可以看成这个规则的特例：C取0）。这个规则看起来复杂，我们看个例子就清晰了：

var limit = make(chan int, 3)

func main() {
    // work是一个worker列表，其中的元素w都是可执行函数
    for _, w := range work {
        go func(w func()) {
            limit <- 1 // (1)
            w() // (2)
            <-limit // (3)
        }(w)
    }
    select{}
}

我们先套用一下上面的规则，则：“第1次(3)happens-before第4次(1)”、“第2次(3)happens-before第5次(1)”、“第3次(3)happens-before第6次(1)”……，再结合传递性：“第1次(2)happens-before第1次(3)happens-before第4次(1)happens-before第4次(2)”、“第2次(2)happens-before第2次(3)happens-before第5次(1)happens-before第5次(2)”……，简单地说：“第1次(2)happens-before第4次(2)”、“第2次(2)happens-before第5次(2)”、“第3次(2)happens-before第6次(2)”……这样我们虽然没有做任何分批，却事实上将workers分成三个一批、每批并发地执行。这就是通过这条happens-before规则保证的。

这个规则理解起来其实也很简单，C是通道的容量，如果无法保证第k次接收happens-before第k+C次发送，那通道的缓冲就不够用了。

注1：以上是官方文档给的规则和例子，但是笔者在尝试将第一个例子的c改成无缓冲通道后发现每次打印的依然稳定是"hello world"，并没有出现预期的空字符串，也就是看起来happens-before规则依然成立。但既然官方文档说无法保证，那我们开发时还是按照happens-before不成立比较好。

锁

锁也是并发编程里非常常用的一个数据结构。go语言中支持的锁主要有两种：sync.Mutex和sync.RWMutex，即普通锁和读写锁（读写锁的原理可以参见另一篇文章）。普通锁的happens-before规则也很直观：

1.对锁实例调用n次Unlock happens-before 调用Lock m次，只要n < m

请看这个例子：

var l sync.Mutex
var a string

func f() {
    a = "hello, world" // (1)
    l.Unlock() // (2)
}

func main() {
    l.Lock() // (3)
    go f() // (4)
    l.Lock() // (5)
    print(a) // (6)
}

上面调用了Unlock一次，Lock两次，因此(2) happens-before (5)，从而(1) happens-before (6)

而读写锁的规则为：

2.对读写锁实例的某一次Unlock调用，happens-after的RLock调用对应的RUnlock调用happens-before下一次Lock调用。

其实本质就是读写锁的原理：读写互斥，简单地理解就是写锁释放后先获取了读锁，则读锁的释放会happens-before 下一次写锁的获取。注意上面的规则是“存在”，而不是“任意”。

Once

sync中还提供了一个Once的数据结构，用于控制并发编程中只执行一次的逻辑，例如：

var a string
var once sync.Once

func setup() {
   a = "hello, world"
   fmt.Println("set up")
}

func doprint() {
   once.Do(setup)
   fmt.Println(a)
}

func twoprint() {
    go doprint()
    go doprint()
}

会打印"hello, world"两次和"set up"一次。Once的happens-before规则也很直观：

第一次执行Once.Do happens-before其余的Once.Do

应用

掌握了上述的基本happens-before规则，可以结合起来分析更复杂的场景了，来看这个例子：

var a, b int

func f() {
    a = 1 // (1)
    b = 2 // (2)
}

func g() {
    print(b) // (3)
    print(a) // (4)
}

func main() {
    go f()
    g()
}

这里(1) happens-before (2)，(3) happens-before(4)，但是(1)与(3)、(4)之间以及(2)与(3)、(4)之间并没有happens-before关系，这时候结果是不确定的，一种有趣的结果是2、0，也就是(1)、(2)之间发生了指令重排序。现在让我们修改一下上面的代码，让它按我们预期的逻辑运行：要么打印0、0，要么打印1、2。

使用锁

var a, b int
var lock sync.Mutex

func f() {
    lock.Lock() // (1)
    a = 1 // (2)
    b = 2 // (3)
    lock.Unlock() // (4)
}

func g() {
    lock.Lock() // (5)
    print(b) // (6)
    print(a) // (7)
    lock.Unlock() // (8)
}

func main() {
    go f()
    g()
}

回想下锁的规则：

1.对锁实例调用n次Unlock happens-before 调用Lock m次，只要n < m

这里存在两种可能：要么(4) happens-before (5)，要么(8) happens-before (1)，会分别推导出两种结果：(6) happens-before (7) happens-before (2) happens-before (3) ，以及(2) happens-before (3) happens-before (6) happens-before (7)，也就分别对应“0、0”和“1、2”两种结果。

使用通道

var a, b int
var c = make(chan int, 1)

func f() {
   <- c
   a = 1 // (2)
   b = 2 // (3)
   c <- 1
}

func g() {
   <- c
   print(b) // (6)
   print(a) // (7)
   c <- 1
}

func test() {
   wg := sync.WaitGroup{}
   wg.Add(3)
   go func(){
      defer wg.Done()
      f()
   }()
   go func(){
      defer wg.Done()
      g()
   }()
   go func(){
      defer wg.Done()
      c <- 1
   }()
   wg.Wait()
   close(c)
}

总之，如果无法确定并发读写之间的happens-before关系，那么最好使用同步工具明确它们之间的关系，例如锁或者通道。不要给程序留下不确定的可能，毕竟确定性就是编程的魅力！