并发安全Sync包的使用

Yuan_sr

有时候在Go代码中可能会存在多个goroutine同时操作一个资源(临界区),这种情况会发生竞态问题(数据竞态)。Sync包主要实现了并发任务同步WaitGroup的几种方法和并发安全的互斥锁和读写锁方法,还实现了比较特殊的两个方法,一个是保持只执行一次的Once方法和线程安全的Map。

sync.WaitGroup(同步等待)

sync.WaitGroup内部维护着一个计数器Add(),计数器的值可以增加和减少。例如当我们启动了N 个并发任务时,就将计数器值增加N。每个任务完成时通过调用Done()方法将计数器减1,底层为Add(-1)。通过调用Wait()来等待并发任务执行完,当计数器值为0时,表示所有并发任务已经完成。

var x int64
var wg sync.WaitGroup

func add() {
    for i := 0; i < 5000; i++ {
        x = x + 1 //数据竞争
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(2)
    go add()
    go add()
    wg.Wait()
    fmt.Println(x)
}

上面的代码中我们开启了两个goroutine去累加变量x的值,这两个goroutine在访问和修改x变量的时候就会存在数据竞争,导致最后的结果与期待的不符。

sync.Mutex(互斥锁)

互斥锁是一种常用的控制共享资源访问的方法,它能够保证同时只有一个goroutine可以访问共享资源。Go语言中使用sync包的Mutex类型来实现互斥锁。 使用互斥锁来修复上面代码的问题:

var x int64
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex

func add() {
    for i := 0; i < 5000; i++ {
        lock.Lock() // 加锁
        x = x + 1
        lock.Unlock() // 解锁
    }
    wg.Done()
}
func main() {
    wg.Add(2)
    go add()
    go add()
    wg.Wait()
    fmt.Println(x)
}

使用互斥锁能够保证同一时间有且只有一个goroutine进入临界区,其他的goroutine则在等待锁;当互斥锁释放后,等待的goroutine才可以获取锁进入临界区,多个goroutine同时等待一个锁时,唤醒的策略是随机的。

sync.RWMutex(读写互斥锁)

互斥锁是完全互斥的,但是有很多实际的场景下是读多写少的,当我们并发的去读取一个资源不涉及资源修改的时候是没有必要加锁的,这种场景下使用读写锁是更好的一种选择。读写锁在Go语言中使用sync包中的RWMutex类型。

读写锁分为两种:读锁和写锁。当一个goroutine获取读锁之后,其他的goroutine如果是获取读锁会继续获得锁,如果是获取写锁就会等待;当一个goroutine获取写锁之后,其他的goroutine无论是获取读锁还是写锁都会等待。

读写锁示例:

var (
    x      int64
    wg     sync.WaitGroup
    lock   sync.Mutex
    rwlock sync.RWMutex
)

func write() {
    // lock.Lock()   // 加互斥锁
    rwlock.Lock() // 加写锁
    x = x + 1
    time.Sleep(10 * time.Millisecond) // 假设读操作耗时10毫秒
    rwlock.Unlock()                   // 解写锁
    // lock.Unlock()                     // 解互斥锁
    wg.Done()
}

func read() {
    // lock.Lock()                  // 加互斥锁
    rwlock.RLock()               // 加读锁
    time.Sleep(time.Millisecond) // 假设读操作耗时1毫秒
    rwlock.RUnlock()             // 解读锁
    // lock.Unlock()                // 解互斥锁
    wg.Done()
}

func main() {
    start := time.Now()
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go write()
    }

    for i := 0; i < 1000; i++ {
        wg.Add(1)
        go read()
    }

    wg.Wait()
    end := time.Now()
    fmt.Println(end.Sub(start))
}

需要注意的是读写锁非常适合读多写少的场景,如果读和写的操作差别不大,读写锁的优势就发挥不出来。

sync.Once(单例)

说在前面的话:这是一个进阶知识点。

在编程的很多场景下我们需要确保某些操作在高并发的场景下只执行一次,例如只加载一次配置文件、只关闭一次通道等。

Go语言中的sync包中提供了一个针对只执行一次场景的解决方案–sync.Once。

sync.Once只有一个Do方法,其签名如下:

func (o *Once) Do(f func()) {}

注意:如果要执行的函数f需要传递参数就需要搭配闭包来使用。

sync.Map(线程安全map)

Go语言中内置的map不是并发安全的。请看下面的示例:

var m = make(map[string]int)

func get(key string) int {
    return m[key]
}

func set(key string, value int) {
    m[key] = value
}

func main() {
    wg := sync.WaitGroup{}
    for i := 0; i < 20; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(n int) {
            key := strconv.Itoa(n)
            set(key, n)
            fmt.Printf("k=:%v,v:=%v\n", key, get(key))
            wg.Done()
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

上面的代码开启少量几个goroutine的时候可能没什么问题,当并发多了之后执行上面的代码就会报fatal error: concurrent map writes错误。

像这种场景下就需要为map加锁来保证并发的安全性了,Go语言的sync包中提供了一个开箱即用的并发安全版map–sync.Map。开箱即用表示不用像内置的map一样使用make函数初始化就能直接使用。同时sync.Map内置了诸如Store、Load、LoadOrStore、Delete、Range等操作方法。

var m = sync.Map{}

func main() {
    wg := sync.WaitGroup{}
    for i := 0; i < 20; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(n int) {
            key := strconv.Itoa(n)
            m.Store(key, n)
            value, _ := m.Load(key)
            fmt.Printf("k=:%v,v:=%v\n", key, value)
            wg.Done()
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

sync/atomic(原子操作)

代码中的加锁操作因为涉及内核态的上下文切换会比较耗时、代价比较高。针对基本数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全,因为原子操作是Go语言提供的方法它在用户态就可以完成,因此性能比加锁操作更好。Go语言中原子操作由内置的标准库sync/atomic提供。

方法操作类型
func LoadInt32(addr *int32) (val int32)读取操作
func LoadInt64(addr *int64) (val int64)读取操作
func LoadUint32(addr *uint32) (val uint32)读取操作
func LoadUint64(addr *uint64) (val uint64)读取操作
func LoadUintptr(addr *uintptr) (val uintptr)读取操作
func LoadPointer(addr *unsafe.Pointer) (val unsafe.Pointer)读取操作
func StoreInt32(addr *int32, val int32)写入操作
func StoreInt64(addr *int64, val int64)写入操作
func StoreUint32(addr *uint32, val uint32)写入操作
func StoreUint64(addr *uint64, val uint64)写入操作
func StoreUintptr(addr *uintptr, val uintptr)写入操作
func StorePointer(addr *unsafe.Pointer, val unsafe.Pointer)写入操作
func AddInt32(addr *int32, delta int32) (new int32)修改操作
func AddInt64(addr *int64, delta int64) (new int64)修改操作
func AddUint32(addr *uint32, delta uint32) (new uint32)修改操作
func AddUint64(addr *uint64, delta uint64) (new uint64)修改操作
func AddUintptr(addr *uintptr, delta uintptr) (new uintptr)修改操作
func SwapInt32(addr *int32, new int32) (old int32)交换操作
func SwapInt64(addr *int64, new int64) (old int64)交换操作
func SwapUint32(addr *uint32, new uint32) (old uint32)交换操作
func SwapUint64(addr *uint64, new uint64) (old uint64)交换操作
func SwapUintptr(addr *uintptr, new uintptr) (old uintptr)交换操作
func SwapPointer(addr *unsafe.Pointer, new unsafe.Pointer) (old unsafe.Pointer)交换操作
func CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool)比较并交换操作
func CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64) (swapped bool)比较并交换操作
func CompareAndSwapUint32(addr *uint32, old, new uint32) (swapped bool)比较并交换操作
func CompareAndSwapUint64(addr *uint64, old, new uint64) (swapped bool)比较并交换操作
func CompareAndSwapUintptr(addr *uintptr, old, new uintptr) (swapped bool)比较并交换操作
func CompareAndSwapPointer(addr *unsafe.Pointer, old, new unsafe.Pointer) (swapped bool)比较并交换操作

示例:

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "sync/atomic"
    "time"
)

var x int64
var l sync.Mutex
var wg sync.WaitGroup

// 普通版加函数
func add() {
    // x = x + 1
    x++ // 等价于上面的操作
    wg.Done()
}

// 互斥锁版加函数
func mutexAdd() {
    l.Lock()
    x++
    l.Unlock()
    wg.Done()
}

// 原子操作版加函数
func atomicAdd() {
    atomic.AddInt64(&x, 1)
    wg.Done()
}

func main() {
    start := time.Now()
    for i := 0; i < 10000; i++ {
        wg.Add(1)
        //go add()       // 普通版add函数 不是并发安全的
        //go mutexAdd()  // 加锁版add函数 是并发安全的,但是加锁性能开销大
        go atomicAdd() // 原子操作版add函数 是并发安全,性能优于加锁版
    }
    wg.Wait()
    end := time.Now()
    fmt.Println(x)
    fmt.Println(end.Sub(start))
}
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