Go語言之并發(fā)資源競爭

并發(fā)本身并不復(fù)雜，但是因為有了資源競爭的問題，就使得我們開發(fā)出好的并發(fā)程序變得復(fù)雜起來，因為會引起很多莫名其妙的問題。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)

var (
    count int32
    wg    sync.WaitGroup
)

func main() {
    wg.Add(2)
    go incCount()
    go incCount()
    wg.Wait()
    fmt.Println(count)
}

func incCount() {
    defer wg.Done()
    for i := 0; i < 2; i++ {
        value := count
        runtime.Gosched()
        value++
        count = value
    }
}

這是一個資源競爭的例子。我們可以多運行幾次這個程序，會發(fā)現(xiàn)結(jié)果可能是 2 ，也可以是 3 ，也可能是 4 。因為共享資源count變量沒有任何同步保護，所以兩個goroutine都會對其進行讀寫，會導致對已經(jīng)計算好的結(jié)果覆蓋，以至于產(chǎn)生錯誤結(jié)果。這里我們演示一種可能，兩個goroutine我們暫時稱之為g1和g2。

 g1讀取到count為 0 。

 然后g1暫停了，切換到g2運行，g2讀取到count也為 0 。

 g2暫停，切換到g1，g1對count+1，count變?yōu)?1 。

 g1暫停，切換到g2，g2剛剛已經(jīng)獲取到值 0 ，對其+1，最后賦值給count還是 1 。

 有沒有注意到，剛剛g1對count+1的結(jié)果被g2給覆蓋了，兩個goroutine都+1還是 1 。

不再繼續(xù)演示下去了，到這里結(jié)果已經(jīng)錯了，兩個goroutine相互覆蓋結(jié)果。我們這里的runtime.Gosched()是讓當前goroutine暫停的意思。退回執(zhí)行隊列，讓其他等待的goroutine運行，目的是讓我們演示資源競爭的結(jié)果更明顯。注意，這里還會牽涉到CPU問題，多核會并行，那么資源競爭的效果更明顯。

所以我們對于同一個資源的讀寫必須是原子化的，也就是說，同一時間只能有一個goroutine對共享資源進行讀寫操作。

共享資源競爭的問題，非常復(fù)雜，并且難以察覺，好在Go提供了一個工具來幫助我們檢查，這個就是go build -race命令。我們在當前項目目錄下執(zhí)行這個命令，生成一個可以執(zhí)行文件，然后再運行這個可執(zhí)行文件，就可以看到打印出的檢測信息。

go build -race

多加了一個-race標志，這樣生成的可執(zhí)行程序就自帶了檢測資源競爭的功能。下面我們運行，也是在終端運行。

./hello

我這里示例生成的可執(zhí)行文件名是hello，所以是這么運行的。這時候，我們看終端輸出的檢測結(jié)果。

  hello ./hello       
==================
WARNING: DATA RACE
Read at 0x0000011a5118 by goroutine 7:
  main.incCount()
      /Users/xxx/code/go/src/flysnow.org/hello/main.go:25 +0x76

Previous write at 0x0000011a5118 by goroutine 6:
  main.incCount()
      /Users/xxx/code/go/src/flysnow.org/hello/main.go:28 +0x9a

Goroutine 7 (running) created at:
  main.main()
      /Users/xxx/code/go/src/flysnow.org/hello/main.go:17 +0x77

Goroutine 6 (finished) created at:
  main.main()
      /Users/xxx/code/go/src/flysnow.org/hello/main.go:16 +0x5f
==================
4
Found 1 data race(s)

看，找到一個資源競爭，連在那一行代碼出了問題，都標示出來了。goroutine 7在代碼 25 行讀取共享資源value := count，而這時goroutine 6正在代碼 28 行修改共享資源count = value，而這兩個goroutine都是從main函數(shù)啟動的，在 16、17 行，通過go關(guān)鍵字。

既然我們已經(jīng)知道共享資源競爭的問題，是因為同時有兩個或者多個goroutine對其進行了讀寫，那么我們只要保證，同時只有一個goroutine讀寫不就可以了?，F(xiàn)在我們就看下傳統(tǒng)解決資源競爭的辦法——對資源加鎖。

Go語言提供了atomic包和sync包里的一些函數(shù)對共享資源同步枷鎖，我們先看下atomic包。

package main

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

var (
    count int32
    wg    sync.WaitGroup
)

func main() {
    wg.Add(2)
    go incCount()
    go incCount()
    wg.Wait()
    fmt.Println(count)
}

func incCount() {
    defer wg.Done()
    for i := 0; i < 2; i++ {
        value := atomic.LoadInt32(&count)
        runtime.Gosched()
        value++
        atomic.StoreInt32(&count,value)
    }
}

留意這里atomic.LoadInt32和atomic.StoreInt32兩個函數(shù)：一個讀取int32類型變量的值，一個是修改int32類型變量的值。這兩個都是原子性的操作，Go已經(jīng)幫助我們在底層使用加鎖機制，保證了共享資源的同步和安全，所以我們可以得到正確的結(jié)果。這時候我們再使用資源競爭檢測工具go build -race檢查，也不會提示有問題了。

atomic包里還有很多原子化的函數(shù)可以保證并發(fā)下資源同步訪問修改的問題。比如函數(shù)atomic.AddInt32可以直接對一個int32類型的變量進行修改，在原值的基礎(chǔ)上再增加多少的功能，也是原子性的。這里不再舉例，大家自己可以試試。

atomic雖然可以解決資源競爭問題，但是比較都是比較簡單的，支持的數(shù)據(jù)類型也有限，所以Go語言還提供了一個sync包。這個sync包里提供了一種互斥型的鎖，可以讓我們自己靈活地控制那些代碼，同時只能有一個goroutine訪問，被sync互斥鎖控制的這段代碼范圍，被稱之為臨界區(qū)。臨界區(qū)的代碼，同一時間，只能又一個goroutine訪問。剛剛那個例子，我們還可以這么改造。

package main

import (
    "fmt"
    "runtime"
    "sync"
)

var (
    count int32
    wg    sync.WaitGroup
    mutex sync.Mutex
)

func main() {
    wg.Add(2)
    go incCount()
    go incCount()
    wg.Wait()
    fmt.Println(count)
}

func incCount() {
    defer wg.Done()
    for i := 0; i < 2; i++ {
        mutex.Lock()
        value := count
        runtime.Gosched()
        value++
        count = value
        mutex.Unlock()
    }
}

實例中，新聲明了一個互斥鎖mutex sync.Mutex。這個互斥鎖有兩個方法，一個是mutex.Lock()，一個是mutex.Unlock()。這兩個之間的區(qū)域就是臨界區(qū)，臨界區(qū)的代碼是安全的。

示例中我們先調(diào)用mutex.Lock()對有競爭資源的代碼加鎖，這樣當一個goroutine進入這個區(qū)域的時候，其他goroutine就進不來了，只能等待，一直到調(diào)用mutex.Unlock() 釋放這個鎖為止。

這種方式比較靈活，可以讓代碼編寫者任意定義需要保護的代碼范圍，也就是臨界區(qū)。除了原子函數(shù)和互斥鎖，Go還為我們提供了更容易在多個goroutine同步的功能，這就是通道chan，我們會在下次繼續(xù)講解。