Go并發(fā)編程時(shí)怎么避免發(fā)生競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)

這篇文章主要介紹“Go并發(fā)編程時(shí)怎么避免發(fā)生競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)”的相關(guān)知識(shí)，小編通過(guò)實(shí)際案例向大家展示操作過(guò)程，操作方法簡(jiǎn)單快捷，實(shí)用性強(qiáng)，希望這篇“Go并發(fā)編程時(shí)怎么避免發(fā)生競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)”文章能幫助大家解決問(wèn)題。

會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的場(chǎng)景有哪些

• 多個(gè) goroutine 對(duì)同一變量進(jìn)行讀寫(xiě)操作。例如，多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)一個(gè)計(jì)數(shù)器變量進(jìn)行增加操作。

• 多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)同一數(shù)組、切片或映射進(jìn)行讀寫(xiě)操作。例如，多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)一個(gè)切片進(jìn)行添加或刪除元素的操作。

• 多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)同一文件進(jìn)行讀寫(xiě)操作。例如，多個(gè) goroutine 同時(shí)向同一個(gè)文件中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

• 多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)同一網(wǎng)絡(luò)連接進(jìn)行讀寫(xiě)操作。例如，多個(gè) goroutine 同時(shí)向同一個(gè) TCP 連接中寫(xiě)入數(shù)據(jù)。

• 多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)同一通道進(jìn)行讀寫(xiě)操作。例如，多個(gè) goroutine 同時(shí)向同一個(gè)無(wú)緩沖通道中發(fā)送數(shù)據(jù)或接收數(shù)據(jù)。

所以，我們要明白的一點(diǎn)是：只要多個(gè) goroutine 并發(fā)訪問(wèn)了共享資源，就有可能出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。

避坑辦法

現(xiàn)在，我們已經(jīng)知道了。在編寫(xiě)并發(fā)程序時(shí)，如果不謹(jǐn)慎，沒(méi)有考慮清楚共享資源的訪問(wèn)方式和同步機(jī)制，那么就會(huì)發(fā)生競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)這些問(wèn)題，那么如何避免踩坑？避免發(fā)生競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的辦法有哪些？請(qǐng)看下面：

• 互斥鎖：使用 sync 包中的 Mutex 或者 RWMutex，通過(guò)對(duì)共享資源加鎖來(lái)保證同一時(shí)間只有一個(gè) goroutine 訪問(wèn)。

• 讀寫(xiě)鎖：使用 sync 包中的 RWMutex，通過(guò)讀寫(xiě)鎖的機(jī)制來(lái)允許多個(gè) goroutine 同時(shí)讀取共享資源，但是只允許一個(gè) goroutine 寫(xiě)入共享資源。

• 原子操作：使用 sync/atomic 包中提供的原子操作，可以對(duì)共享變量進(jìn)行原子操作，從而保證不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。

• 通道：使用 Go 語(yǔ)言中的通道機(jī)制，可以將數(shù)據(jù)通過(guò)通道傳遞，從而避免直接對(duì)共享資源的訪問(wèn)。

• WaitGroup：使用 sync 包中的 WaitGroup，可以等待多個(gè) goroutine 完成后再繼續(xù)執(zhí)行，從而保證多個(gè) goroutine 之間的順序性。

• Context：使用 context 包中的 Context，可以傳遞上下文信息并控制多個(gè) goroutine 的生命周期，從而避免出現(xiàn)因?yàn)槟硞€(gè) goroutine 阻塞導(dǎo)致整個(gè)程序阻塞的情況。

實(shí)戰(zhàn)場(chǎng)景

1.互斥鎖

比如在一個(gè)Web服務(wù)器中，多個(gè)goroutine需要同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)全局計(jì)數(shù)器的變量，達(dá)到記錄網(wǎng)站訪問(wèn)量的目的。

在這種情況下，如果沒(méi)有對(duì)訪問(wèn)計(jì)數(shù)器的訪問(wèn)進(jìn)行同步和保護(hù)，就會(huì)出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題。假設(shè)有兩個(gè)goroutine A和B，它們同時(shí)讀取計(jì)數(shù)器變量的值為N，然后都增加了1并把結(jié)果寫(xiě)回計(jì)數(shù)器，那么最終的計(jì)數(shù)器值只會(huì)增加1而不是2，這就是一個(gè)競(jìng)態(tài)條件。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以使用鎖等機(jī)制來(lái)保證訪問(wèn)計(jì)數(shù)器的同步和互斥。在Go中，可以使用互斥鎖（sync.Mutex）來(lái)保護(hù)共享資源。當(dāng)一個(gè)goroutine需要訪問(wèn)共享資源時(shí)，它需要先獲取鎖，然后訪問(wèn)資源并完成操作，最后釋放鎖。這樣就可以保證每次只有一個(gè)goroutine能夠訪問(wèn)共享資源，從而避免競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

看下面的代碼：

package main

import (
 "fmt"
 "sync"
)

var count int
var mutex sync.Mutex

func main() {
 var wg sync.WaitGroup
 // 啟動(dòng)10個(gè)goroutine并發(fā)增加計(jì)數(shù)器的值
 for i := 0; i < 10; i++ {
  wg.Add(1)
  go func() {
   // 獲取鎖
   mutex.Lock()
   // 訪問(wèn)計(jì)數(shù)器并增加值
   count++
   // 釋放鎖
   mutex.Unlock()
   wg.Done()
  }()
 }
 // 等待所有g(shù)oroutine執(zhí)行完畢
 wg.Wait()
 // 輸出計(jì)數(shù)器的最終值
 fmt.Println(count)
}

在上面的代碼中，使用了互斥鎖來(lái)保護(hù)計(jì)數(shù)器變量的訪問(wèn)。每個(gè)goroutine在訪問(wèn)計(jì)數(shù)器變量之前先獲取鎖，然后進(jìn)行計(jì)數(shù)器的增加操作，最后釋放鎖。這樣就可以保證計(jì)數(shù)器變量的一致性和正確性，避免競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題。

具體的思路是，啟動(dòng)每個(gè) goroutine 時(shí)調(diào)用 wg.Add(1) 來(lái)增加等待組的計(jì)數(shù)器。然后，在所有 goroutine 執(zhí)行完畢后，調(diào)用 wg.Wait() 來(lái)等待它們完成。最后，輸出計(jì)數(shù)器的最終值。

請(qǐng)注意，這個(gè)假設(shè)的場(chǎng)景和這個(gè)代碼示例，僅僅只是是為了演示如何使用互斥鎖來(lái)保護(hù)共享資源，實(shí)際情況可能更加復(fù)雜。例如，在實(shí)際的運(yùn)維開(kāi)發(fā)中，如果使用鎖的次數(shù)過(guò)多，可能會(huì)影響程序的性能。因此，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中，還需要根據(jù)具體情況選擇合適的同步機(jī)制來(lái)保證并發(fā)程序的正確性和性能。

2.讀寫(xiě)鎖

下面是一個(gè)使用 sync 包中的 RWMutex 實(shí)現(xiàn)讀寫(xiě)鎖的代碼案例：

package main

import (
 "fmt"
 "sync"
 "time"
)

var (
 count  int
 rwLock sync.RWMutex
)

func readData() {
 // 讀取共享數(shù)據(jù)，獲取讀鎖
 rwLock.RLock()
 defer rwLock.RUnlock()
 fmt.Println("reading data...")
 time.Sleep(1 * time.Second)
 fmt.Printf("data is %d\n", count)
}

func writeData(n int) {
 // 寫(xiě)入共享數(shù)據(jù)，獲取寫(xiě)鎖
 rwLock.Lock()
 defer rwLock.Unlock()
 fmt.Println("writing data...")
 time.Sleep(1 * time.Second)
 count = n
 fmt.Printf("data is %d\n", count)
}

func main() {
 // 啟動(dòng) 5 個(gè)讀取協(xié)程
 for i := 0; i < 5; i++ {
  go readData()
 }

 // 啟動(dòng) 2 個(gè)寫(xiě)入?yún)f(xié)程
 for i := 0; i < 2; i++ {
  go writeData(i + 1)
 }

 // 等待所有協(xié)程結(jié)束
 time.Sleep(5 * time.Second)
}

在這個(gè)示例中，有 5 個(gè)讀取協(xié)程和 2 個(gè)寫(xiě)入?yún)f(xié)程，它們都會(huì)訪問(wèn)一個(gè)共享的變量 count。讀取協(xié)程使用 RLock() 方法獲取讀鎖，寫(xiě)入?yún)f(xié)程使用 Lock() 方法獲取寫(xiě)鎖。通過(guò)讀寫(xiě)鎖的機(jī)制，多個(gè)讀取協(xié)程可以同時(shí)讀取共享數(shù)據(jù)，而寫(xiě)入?yún)f(xié)程則會(huì)等待讀取協(xié)程全部結(jié)束后才能執(zhí)行，從而避免了讀取協(xié)程在寫(xiě)入?yún)f(xié)程執(zhí)行過(guò)程中讀取到臟數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

3.原子操作

下面是一個(gè)使用 sync/atomic 包中提供的原子操作實(shí)現(xiàn)并發(fā)安全的計(jì)數(shù)器的代碼案例：

package main

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

func main() {
    var counter int64

    // 啟動(dòng) 10 個(gè)協(xié)程對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行增量操作
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            for j := 0; j < 100; j++ {
                atomic.AddInt64(&counter, 1)
            }
        }()
    }

    // 等待所有協(xié)程結(jié)束
    time.Sleep(time.Second)

    // 輸出計(jì)數(shù)器的值
    fmt.Printf("counter: %d\n", atomic.LoadInt64(&counter))
}

在這個(gè)示例中，有 10 個(gè)協(xié)程并發(fā)地對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行增量操作。由于多個(gè)協(xié)程同時(shí)對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行操作，如果不使用同步機(jī)制，就會(huì)出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件和數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)。為了保證程序的正確性和健壯性，使用了 sync/atomic 包中提供的原子操作，通過(guò) AddInt64() 方法對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行原子加操作，保證了計(jì)數(shù)器的并發(fā)安全。最后使用 LoadInt64() 方法獲取計(jì)數(shù)器的值并輸出。

4.通道

下面是一個(gè)使用通道機(jī)制實(shí)現(xiàn)并發(fā)安全的計(jì)數(shù)器的代碼案例：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    var counter int

    // 創(chuàng)建一個(gè)有緩沖的通道，容量為 10
    ch := make(chan int, 10)

    // 創(chuàng)建一個(gè)等待組，用于等待所有協(xié)程完成
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(10)

    // 啟動(dòng) 10 個(gè)協(xié)程對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行增量操作
    for i := 0; i < 10; i++ {
        go func() {
            for j := 0; j < 10; j++ {
                // 將增量操作發(fā)送到通道中
                ch <- 1
            }
            // 任務(wù)完成，向等待組發(fā)送信號(hào)
            wg.Done()
        }()
    }

    // 等待所有協(xié)程完成
    wg.Wait()

    // 從通道中接收增量操作并累加到計(jì)數(shù)器中
    for i := 0; i < 100; i++ {
        counter += <-ch
    }

    // 輸出計(jì)數(shù)器的值
    fmt.Printf("counter: %d\n", counter)
}

在這個(gè)示例中，有 10 個(gè)協(xié)程并發(fā)地對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行增量操作。為了避免直接對(duì)共享資源的訪問(wèn)，使用了一個(gè)容量為 10 的有緩沖通道，將增量操作通過(guò)通道傳遞，然后在主協(xié)程中從通道中接收增量操作并累加到計(jì)數(shù)器中。在協(xié)程中使用了等待組等待所有協(xié)程完成任務(wù)，保證了程序的正確性和健壯性。最后輸出計(jì)數(shù)器的值。

5.WaitGroup

下面是一個(gè)使用 sync.WaitGroup 等待多個(gè) Goroutine 完成后再繼續(xù)執(zhí)行的代碼案例：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup

    for i := 1; i <= 3; i++ {
        wg.Add(1) // 計(jì)數(shù)器加1
        go func(i int) {
            defer wg.Done() // 完成時(shí)計(jì)數(shù)器減1
            fmt.Printf("goroutine %d is running\n", i)
        }(i)
    }

    wg.Wait() // 等待所有 Goroutine 完成

    fmt.Println("all goroutines have completed")
}

在這個(gè)示例中，有 3 個(gè) Goroutine 并發(fā)執(zhí)行，使用 wg.Add(1) 將計(jì)數(shù)器加1，表示有一個(gè) Goroutine 需要等待。在每個(gè) Goroutine 中使用 defer wg.Done() 表示任務(wù)完成，計(jì)數(shù)器減1。最后使用 wg.Wait() 等待所有 Goroutine 完成任務(wù)，然后輸出 "all goroutines have completed"。

6.Context

下面是一個(gè)使用 context.Context 控制多個(gè) Goroutine 的生命周期的代碼案例：

package main

import (
    "context"
    "fmt"
    "time"
)

func worker(ctx context.Context, id int, wg *sync.WaitGroup) {
    defer wg.Done()

    fmt.Printf("Worker %d started\n", id)

    for {
        select {
        case <-ctx.Done():
            fmt.Printf("Worker %d stopped\n", id)
            return
        default:
            fmt.Printf("Worker %d is running\n", id)
            time.Sleep(time.Second)
        }
    }
}

func main() {
    ctx, cancel := context.WithCancel(context.Background())

    var wg sync.WaitGroup
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        wg.Add(1)
        go worker(ctx, i, &wg)
    }

    time.Sleep(3 * time.Second)

    cancel()

    wg.Wait()

    fmt.Println("All workers have stopped")
}

在這個(gè)示例中，使用 context.WithCancel 創(chuàng)建了一個(gè)上下文，并在 main 函數(shù)中傳遞給多個(gè) Goroutine。每個(gè) Goroutine 在一個(gè) for 循環(huán)中執(zhí)行任務(wù)，如果收到了 ctx.Done() 信號(hào)就結(jié)束任務(wù)并退出循環(huán)，否則就打印出正在運(yùn)行的信息并等待一段時(shí)間。在 main 函數(shù)中，通過(guò)調(diào)用 cancel() 來(lái)發(fā)送一個(gè)信號(hào)，通知所有 Goroutine 結(jié)束任務(wù)。使用 sync.WaitGroup 等待所有 Goroutine 結(jié)束任務(wù)，然后輸出 "All workers have stopped"。

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