Go 开发时要了解的 1 个内存模型细节

煎鱼
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大家好,我是煎鱼。

在日常工作中,如果我们能够了解 Go 语言内存模型,那会带来非常大的作用。这样在看一些极端情况,又或是变态面试题的时候,就能够明白程序运行表现下的很多根本原因了。

当然,靠一篇普通文章讲完 Go 内存模型,不可能。因此今天这篇文章,把重点划在给大家讲解 Go 语言的 happens-before 原则这 1 个细节。

开吸,和煎鱼揭开他的神秘面纱!

内存模型定义是什么

既然要了解 happens-before 原则,我们得先知道 The Go Memory Model(Go 内存模型)定义的是什么,官方解释如下:

The Go memory model specifies the conditions under which reads of a variable in one goroutine can be guaranteed to observe values produced by writes to the same variable in a different goroutine.

在 Go 内存模型规定:“在一个 goroutine 中读取一个变量时,可以保证观察到不同 goroutine 中对同一变量的写入所产生的值” 的条件。

这是学习后续知识的一个大前提。

happens-before 是什么

Happens Before 是一个专业术语,与 Go 语言没有直接关系,也就是并非是特有的。用大白话来讲,其定义是:

在一个多线程程序中,假设存在 A 和 B 两个操作,如果 A 操作在 B 操作之前发生(A happens-before B),那么 A 操作对内存的影响将会对执行 B 的线程可见。

A 不一定 happens-before B

从 happens-before 定义来看,我们可以反过来想。那就是:

在同一个(相同)线程中,如果都执行 A 和 B 操作,并且 A 的声明一定在 B 之前,那么 A 一定先于(happens-before)B 发生。

以下述 Go 代码例子:

var A int
var B int

func main() {
 A = B + 1  (1)
 B = 1      (2)
}

该代码是在同一个 main goroutine,全局变量 A 在变量 B 之前声明。

在 main 函数中,代码行 (1),也在代码行 (2) 之前。因此我们可以得出 (1) 一定会在 (2) 前执行,对吗?

答案是:错误的,因为 A happens-before B 并不意味着 A 操作一定会在 B 操作之前发生。

实际上在编译器中,上述代码在汇编的真正执行顺序如下:

 0x0000 00000 (main.go:7) MOVQ "".B(SB), AX
 0x0007 00007 (main.go:7) INCQ AX
 0x000a 00010 (main.go:7) MOVQ AX, "".A(SB)
 0x0011 00017 (main.go:8) MOVQ $1, "".B(SB)
  • (2):加载 B 到寄存器 AX。
  • (2):进行 B = 1 赋值,在代码中执行为 INCQ 自增。
  • (1):将寄存器 AX 中值加上 1 后赋值给 A。

通过上述分析,我们可以得知。在代码行 (1) 在 (2) 之前,但确实 (2) 比 (1) 更早执行。

那么这是不是意味着违反了 happens-before 的设计原则,毕竟这可是同个线程里的操作,Go 编译器有 BUG?

其实不然,因为对 A 的赋值实质上对 B 的赋值没有影响。所以并没有违反 happens-before 的设计原则。

Go 语言中的 happens-before

在 《The Go Memory Model》 中,给出了 Go 语言中 Happens Before 的明确语言定义。

以下术语将会在介绍中用到:

  • 变量 v:一个指代性的变量,用于示例演示。
  • 读 r:代表读操作。
  • 写 w:代表写操作。

定义

在满足如下两点条件下,允许对变量 v 的读 r 观察对 v 的写 w:

  1. r 在 w 之前没有发生。
  2. 没有其他写到 v 的 w' 发生在 w 之后但在 r 之前。

为了保证变量 v 的读 r 观察到对 v 的特定写 w,确保 w 是唯一允许 r 观察的写。

因此如果以下两点都成立,就能保证 r 能观察到 w :

  1. w 发生在 r 之前。
  2. 对共享变量 v 的任何其他写入都发生在 w 之前或 r 之后。

这看起来比较生涩,接下来我们以《The Go Memory Model》 中具体的 channel 例子来进行进一步说明,会更好理解一些。

Go Channel 实例

在 Go 语言中提倡不要通过共享内存来进行通讯;相反,应当通过通讯来共享内存:

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

因此在 Go 工程中,Channel 是一个非常常用的语法。在原则上其需要遵守:

  1. 一个 channel 上的发送是在该 channel 的相应接收完成之前发生的。
  2. channel 的关闭发生在接收之前,因为通道被关闭而返回一个零值。
  3. 一个无缓冲 channel 的接收发生在该 channel 的发送完成之前。
  4. 一个容量为 C 的 channel 上,第 k 次接收发生在该 channel 的第 k+C 次发送完成之前。

接下来根据这四条原则,我们逐一给出例子,用于学习和理解。

例子 1

Go channel 例子 1,你认为输出的结果是什么。如下:

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

func f() {
 a = "炸煎鱼"   (1)
 c <- 0        (2)
}

func main() {
 go f()
 <-c           (3)
 print(a)      (4)
}

答案是空字符串吗?

程序最终结果是正常输出 “炸煎鱼” 的,原因如下:

  • (1) happens-before (2) 。
  • (4) happens-after (3)。

当然,最后 (1) 写入变量 a 的操作,必然 happens-before 于 (4) print 方法,因此正确的输出了 “炸煎鱼”。

能够满足 “一个 channel 上的发送是在该 channel 的相应接收完成之前发生的”。

例子 2

主要是确保了关闭管道时的行为。只需要在前面的例子中,替换 c <- 0close(c) 就能够产生具有相同的行为保证的程序。

能够满足 “channel 的关闭发生在接收之前,因为通道被关闭而返回一个零值”。

例子 3

Go channel 例子 3,你认为输出的结果是什么。如下:

var c = make(chan int)
var a string

func f() {
 a = "煎鱼进脑子了"    (1)
 <-c                 (2)
}

func main() {
 go f()
 c <- 0              (3)
 print(a)            (4)
}

答案是空字符串吗?

程序最终结果是正常输出 “煎鱼进脑子了” 的,原因如下:

  • (2) happens-before (3)。
  • (1) happens-before (4)。

能够满足 “一个无缓冲 channel 的接收发生在该 channel 的发送完成之前”。

如果我们把无缓冲改为 make(chan int, 1),也就是带缓冲的 channel,则无法保证正常的输出 “煎鱼进脑子了”。

例子 4

Go channel 例子 4,这个程序为工作列表中的每个条目启动一个 goroutine,但 goroutine 使用 channel 进行协调,以确保每次最多只有三个工作函数在运行。

代码如下:

var limit = make(chan int, 3)

func main() {
 for _, w := range work {
  go func(w func()) {
   limit <- 1
   w()
   <-limit
  }(w)
 }
 select{}
}

能够满足 “一个容量为 C 的 channel 上,第 k 次接收发生在该 channel 的第 k+C 次发送完成之前”。

总结

在本文中,我们针对 happens-before 原则进行了基本的说明。同时结合 Go 语言中实际的 happens-before 和 happens-after 的场景进了展示和讲解。

实际上,在日常的开发工作中,happens-before 原则基本已经深入到潜意识中,就跟设计模式一样。会不知觉就应用到,但是若我们希望更进一步的对 Go 语言等内存模型就行研究和理解,就必须对这个基本理念有所认知。

你平时有没有注意到这块的问题呢,欢迎大家留言和讨论!

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参考

  • The Go Memory Model
  • Go内存模型&Happen-Before(一)
  • GoLang 内存模型
  • Golang happens before & channel
  • Go 内存模型
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煎鱼的清汤锅
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