在之前的文章中，我們?cè)敿?xì)說了 Go 語(yǔ)言中 goroutine + channel 通過通信的方式來共享內(nèi)存，從而實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程。

但同時(shí) Go 也提供了傳統(tǒng)通過共享變量，也就是共享內(nèi)存的方式來實(shí)現(xiàn)并發(fā)。這篇文章會(huì)介紹 Go

提供的相關(guān)機(jī)制。

1. 什么是競(jìng)態(tài)

在一個(gè) Go 程序運(yùn)行起來之后，會(huì)有很多的 goroutine 同時(shí)運(yùn)行，每個(gè) goroutine 中代碼的執(zhí)行是順序的，如果我們無法確定兩個(gè) goroutine 中代碼的執(zhí)行順序。就可以說這兩個(gè) goroutine 是并發(fā)執(zhí)行的。

如果一段代碼無論是順序執(zhí)行還是并發(fā)執(zhí)行，結(jié)果都是正確的，那就可以說這個(gè)代碼是并發(fā)安全的。

并發(fā)不安全的代碼出現(xiàn)的問題有多種，比如死鎖、活鎖、經(jīng)態(tài)等等。死鎖和活鎖都表示代碼已經(jīng)無法繼續(xù)執(zhí)行了，而競(jìng)態(tài)則表示代碼是可以執(zhí)行的，但是有可能會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)果。

有一個(gè)典型的例子就是向銀行賬戶中存款：

var balance int
func Deposit(amount int) {
    balance = balance + amount
}
func Balance() int {
    return balance
}

假如現(xiàn)在有兩個(gè)人同時(shí)向這個(gè)賬戶中存款，各自存了 100 次：

for i := 0; i < 100; i++ {
    go func() {
        Deposit(100)
    }()

    go func() {
        Deposit(100)
    }()
}
// 休眠一秒，讓上面的 goroutine 執(zhí)行完成
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println(Balance())

如果程序正確，那么最后的輸出應(yīng)該是 20000，但多次運(yùn)行，結(jié)果可能是 19800、19900 或者其他的值。這個(gè)時(shí)候，我們就會(huì)說這個(gè)程序存在數(shù)據(jù)競(jìng)態(tài)。

這個(gè)問題的根本原因是 balance = balance + amount 這行代碼在 CPU 上的執(zhí)行操作不是原子的，有可能執(zhí)行到一半的時(shí)候會(huì)被打斷。

2. 如何消除競(jìng)態(tài)

發(fā)生了競(jìng)態(tài)，就要想辦法解決?？偟膩碚f，解決競(jìng)態(tài)有三種辦法：

• 不要修改變量

  如果一個(gè)變量不需要修改，在任何地方訪問都是安全的，但這個(gè)方法卻無法解決上面的問題。

• 不要多個(gè) goroutine 中去訪問同一個(gè)變量

我們前面說聊過的 goroutine + channel 就是這樣的一個(gè)思路，通過 channel 阻塞來更新變量，這也符合 Go 代碼的設(shè)計(jì)理念：不要通過共享內(nèi)存來通信，而應(yīng)該通過通信來共享內(nèi)存。

• 同一時(shí)間只允許一個(gè) goroutine 訪問變量

如果在同一時(shí)間只能有一個(gè) goroutine 訪問變量，其他的 goruotine 需要等到當(dāng)前的訪問結(jié)束之后，才能訪問，這樣也可以消除競(jìng)態(tài)，下面將要說到的工具就是用來保證同一時(shí)間只能有一個(gè) goroutine 來訪問變量。

3. Go 提供的并發(fā)工具

在上面我們已經(jīng)說到了解決競(jìng)態(tài)的三種辦法，下面的這些工具就是 Go 中用來實(shí)現(xiàn)同一時(shí)間只能有一個(gè) goroutine 訪問變量。我們分別來看一下：

3.1 互斥鎖

這個(gè)是解決競(jìng)態(tài)最經(jīng)典的工具，它的原理就是如果要訪問一個(gè)資源，那么就必須要拿到這個(gè)資源的鎖，只有拿到鎖才有資格訪問資源，其他的 goroutine 想要訪問，必須等到當(dāng)前 goroutine 釋放了鎖，搶到鎖之后再訪問

在使用之前，需要先為資源申請(qǐng)一把鎖，使用的就是 sync.Mutex，這是 Go 語(yǔ)言中互斥鎖的實(shí)現(xiàn)：

var mu sync.Mutex
var balance int

每個(gè)拿到鎖的 goroutine 都需要保證在對(duì)變量的訪問結(jié)束之后，把鎖釋放掉，即使發(fā)生在異常情況，也需要釋放，這里可以使用 defer 來保證最終會(huì)釋放鎖：

func Deposit(amount int) {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    balance = balance + amount
}

func Balance() int {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    return balance
}

把代碼改完之后，再去運(yùn)行上面存款的代碼，無論運(yùn)行多少遍，最終的結(jié)果都是 20000，到這里，我們競(jìng)態(tài)的問題就算是解決了，但是還有點(diǎn)小問題。

3.2 讀寫互斥鎖

上面的互斥鎖解決了訪問數(shù)據(jù)的競(jìng)態(tài)問題，但是還有個(gè)小問題，就是讀余額的操作有點(diǎn)低效，每次來讀余額的時(shí)候，都還需要去搶鎖，實(shí)際上，這個(gè)變量如果沒有改變，即使同時(shí)被多個(gè) goroutine 讀，也不會(huì)產(chǎn)生并發(fā)安全的問題。

我們想要的一個(gè)理想的場(chǎng)景就是，如果這個(gè)變量沒有在寫入，就可以運(yùn)行多個(gè) goroutine 同時(shí)讀，這樣可以大大提高效率。

Go 也提供了這個(gè)工具，那就是讀寫鎖。這個(gè)鎖讀與讀是不互斥的，簡(jiǎn)單來說就是這個(gè)鎖可以保證同時(shí)只能有一個(gè) goroutine 在寫入，如果有 goroutine 在寫入，其他的 goroutine 既不能讀，也不能寫，但允許多個(gè) goroutine 同時(shí)來讀。

我們把上面的代碼再改一下，只需要改一個(gè)地方：

var mu sync.RWMutex // 替換 sync.Mutex
var balance int

這樣改完之后，上面存款的代碼還是會(huì)一直輸出 20000，但同時(shí)可以允許多個(gè) goroutine 同時(shí)讀余額。

大多數(shù) Go 語(yǔ)言中的競(jìng)態(tài)問題都可以使用這兩個(gè)工具來解決。

3.3 Once

Go 語(yǔ)言中還提供了這樣的一個(gè)工具，可以保證代碼只會(huì)執(zhí)行一遍，多用于資源初始化等場(chǎng)景。使用的方式也很簡(jiǎn)單：

o := &sync.Once{}
for i := 0; i < 100; i++ {
    o.Do(func(){
        go func() {
            Deposit(100)
        }()

        go func() {
            Deposit(100)
        }()
    })
}
// 休眠一秒，讓上面的 goroutine 執(zhí)行完成
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println(Balance())

如果上面的代碼使用 Once 來控制之后，都只會(huì)存一次，所以上面的代碼會(huì)永遠(yuǎn)輸出 200。

3.4 競(jìng)態(tài)檢測(cè)器

很多處在競(jìng)態(tài)的錯(cuò)誤很難發(fā)現(xiàn)，Go 語(yǔ)言中提供了一個(gè)工具，可以幫忙檢查代碼中是否存在競(jìng)態(tài)。使用起來很簡(jiǎn)單，只需要在以下命令之后加上 -race 參數(shù)就可以：

$ go run -race

$ go build -race

$ go test -race

加上這個(gè)參數(shù)之后，編譯器會(huì)對(duì)代碼在執(zhí)行時(shí)對(duì)所有共享變量的訪問，如果發(fā)現(xiàn)一個(gè) goroutine 寫入一個(gè)變量之后，沒有任何同步的操作，就有另外一個(gè) goroutine 讀寫了這個(gè)變量，那就說明這里存在競(jìng)態(tài)，就會(huì)報(bào)錯(cuò)。比如下面的代碼：

data := 1

go func() {
    data = 2
}()

go func() {
    data = 3
}()

time.Sleep(2 * time.Second)

運(yùn)行 go run -race main.go 之后，會(huì)報(bào)下面的錯(cuò)誤：

Found 1 data race(s)
exit status 66

4. 小結(jié)

Go 中也提供了傳統(tǒng)語(yǔ)言所提供的并發(fā)編程機(jī)制，也可以通過共享內(nèi)存的方法來實(shí)現(xiàn)并發(fā)編程。Go 提供的接口相對(duì)來說比較簡(jiǎn)潔，提供的能力卻足夠強(qiáng)大。

文 / Rayjun