go语言happens-before原则及应用VIP

1、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发觉的事情。 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好句以4;,而实际上执行的顺序可能是以4；好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

2、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

3、有一个kappehs-before的 规那么，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ka叩看作一种特殊的比拟运算，就好像、一样。对应的，还有happe八s-aftec它们之间的关系也好像、一样：Oncesync中还提供了一个。八cc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 striigvair oince sg八八ccfeme setapO (a = kelloj world11认土仇(set up11)fiAM do”int() o 八 ce.Do(s 血？)fmt.Prmtfn(a)Mac twopsMt。go dopHn

4、t。go dopHht。)会打印 hello, world”两次和“set up”一次。八”的happens-be- 规那么也很直观:第一次执行。八ccQo happen-before其余的。八ceQo应用掌握了上述的基本k即ins-bcf”c规那么，可以结合起来分析更复杂的场景了，来 看这个例子：var a, b Mtfeme f() a = 1 / (I)b = 2/ (2)心八cgO print(b) / priit(a) / (4)fiAAC kvaii0 go K)gO)这里ka眸ChS-befC (2),ka叩c八s-bcf”c(4),但是与、之间以及与 (3)、(4)之间并没有k

5、appc八s-bcf”c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、2o使用锁var a, b litvar lock Mutexfeme f()lock.LockQ / (2)4二工（2）b = 2 / lock.Unlock() / (4)心八c gO lock.LockO / priit(b) / (6)print / (7)(ock.Un(ock() / (8)八c kvxaiiaQ go fogO)回想下锁的规那么：1.对锁实例调用八次Unlock

6、 happ。八s-bcf。匕调用Lock作次，只要八这里,存在两种可能：要么(4) happens-before，要么happen -before，会分 别推导出两种结果： happe八s-bcfc (7) happens-before (2) happens-before (3), 以及(2) happe八s-before happens-befove (6) kappe八s-before (7),也就分别对应“0、 0和 1、2两种结果。使用通道 var a, b ivtvar c = iake(cka ict, 1) feme f() -c4 = 1(2)。= 2 / c一1)心八c g

7、O -cprint(b) / (6)priit(a) / (7)c b是否成立的过程，我们的做法很简单：.基于一些简单的公理；例如自然数的自然大小：/2工.基于比拟运算符的传递性，也就是如果。泌且分c,那么ac判断a happen-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ka晔的传递性，推导出我们所关心的W和r之间的 kappens-before 关系。happc八s-before 传递性：如果 a happe八s-befoK。b,且 b happe八s-before C, 贝lj a happe八s-bef。丫。C因此我们只需要了解这些

8、明确的ha叩加关系，就能在并发世界里寻找到 珍贵确实定性了。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语言相关的规那么， 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人即pens-before规那么：在同一个goroutine里，书写在前的代码happe八s-before书写在后 的代码。例如：a = 3; / (圾=4; / (2)那么Q) kappcns-bcforc (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h叩pens-before与指令重排

9、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g。文件都可以有一个加土方法，用于执行某些初始化逻辑。当我们开始执 行某个小川认方法时，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i八江方法，这个过程中go可能创立多个goroutine并发地执行，因此通常情况下各个知t方法是没有人叩飞八s-before关系的。关于，八才方法有两条happe八s-before 规那么：.a包导入了 b包，此时b包的iiit方法happe八s-before 3包的所有代码；.所有iiit方法happe八s-before恒/认

10、方法；goroutinegoroutine相关的规那么主要是其创立和销毁的：.goroutine 的创立 happens-砥。丫。其执行；.goroutine的完成不保证k叩.八s-befo%任何代码；第一条规那么举个简单的例子即可：var a stringface f() / (工)feme kelloQ a = heH。, world / (2)go f() )因为goroutine的创立happe八s-before其执行，所以happe八s-before (1),又因为自然执行的规那么(2) happe八s-before，根据传递性，所以happens-before (1)，这样保证了我

11、们每次打印出来的都是“hello world”而不是空字符串。第二条规那么是少见的否认句式，同样举个简单的例子: fu 八c kelloQ go 4 二keo |() / (工)仇力八土伉(a) / (2)由于goroutine的完成不保证happens-before任何代码，因此(1) happens-before不成立，这样我们就不能保证每次打印的结果都是“hell。”。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规那么也至关重要。1 .对于缓冲通道，向通道发送数据 叱吟-砥。匕从通道接收到数据结合一个例子:v

12、ar c =八 int, LO)vair a string fuM f() a = helloj world / (1)C - O / (2)go fo / -c / (4)/ (5)c是一个缓冲通道，因此向通道发送数据ka叩ChS-befc从通道接收到数据，也就 是happen-More (4),再结合自然执行规那么以及传递性不难推导出Q) 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 =3砥左加血)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：.对于

13、无缓冲通道，从通道接收数据-before向通道发送数 据我们可以将上述例子稍微调整下：var c = kvake(cha a sWMgfeme f() a = heH。,world11 / (2)-c / (2)flAiaCgo f。c w := range work go ftmc。)limit - 1 / (1)w。 (2)/ Kw)select我们先套用一下上面的规那么，贝IJ：第1次第4次、第2次 (3)kappeias-before第5次、第3次happcns-before第6次,再结合传递性：”第 1 次(2)ka叩cns-befoHC 第 1 次happens-before 第

14、4 次Q)kappc八s-bcforc 第 4 次、第 2 次(2)happens -before 第 2 次happens -before 第 5 次 (l)kappens-before 第 5 次(2)”，简单地说：第 1 次happens-before 第 4 次、”第2次(2)哂加* 第5次、第3次(2於-before第6次”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规那么保证的。这个规那么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

15、的缓冲就不够用了。注1:以上是官方文档给的规那么和例子，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hell。world,并没有出现预期的空字符串，也就是看起来happens-before 规那么依然成立。但既然官方文档说无法保证，那我们开发时还是按 照happens-before不成立比拟好。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： sgnc.Mutcx和sg八c.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规那么也很直观：1.对锁实例调用八次Unlock happen-before调用Lock m次，只要八请看这个例子：var I yic.Mutexvair a string fimc f() a = hello,world11 / (1)I.UnlockQ / (2)fix八。加加八0 LLock。 / go f()/ (4)I.LockQ / priit(a