Golang内存模型

Ref： https://golang.org/ref/mem

1. 简介

golang内存模型，主要说明了如下问题。在一个goroutine中读取变量，而该变量是由其他goroutine赋值的，这种情况下如何能够安全正确的读取。

2. 建议

对于有多个goroutine在使用的变量，修改时需要序列化的读取。

主要方式包括，通过channel的方式、sync/atomic等原子同步操作等。

如果你想读完以下内容，以便理解你的程序内在运行机制，说明你很聪明。

但是不建议你这么聪明~

3. 历史经验

只有一个goroutine的时候，读写操作都会如程序定义的顺序执行。这是因为，尽管编译器和中央处理器是可能会改变执行顺序，但并不会影响编程语言定义的goroutine中的行为逻辑。但也是因为可能改变执行顺序，同样的操作在不同的goroutine中观察到的执行顺序并不一致。比如A goroutine执行了a=1;b=2;另一个goroutine观察到的结果可能是b先于a被赋值了。

为具体说明读写操作的要求，我们定义了之前某个版本中Golang程序中内存操作的一部分逻辑如下。如果事件e1发生在事件e2之前，我们说e2发生在e1之后.如果e1并不发生在e2之前，也不发生e2在之后，我们说e1和e2是同步发生的。

在一个单goroutine的程序中，事件发生的顺序就是程序描述的顺序。

满足如下两个条件的情况下，对变量v的读取操作r，是能够观察到对v的写入操作w的：

1. r并不发生在w之前；
2. r之前，w之后，再没有其他对v的写操作；

为了保证对变量v对读取操作r，能够观察到特定的对v得写操作w，需要保证w是r唯一能够观察到写操作。因此，要保证r能够观察到w需要满足如下两个条件：

1. w发生在r之前；
2. 其他对v的写操作，要么发生在w之前，要么发生在r之后；

这对条件是比第一个条件更加严格，它要求r和w的同时，没有其它的写操作（即和r或w同步的写操作）；

在单一goroutine里面，没有同步操作，所以以上两组条件是等价的。但是对于多goroutine，需要通过同步事件来确定顺序发生，从而保证读操作能够观察到写操作。

在内存模型里面，变量v初始化为零值，也是一种写操作。

读写大于单一机器码的变量的动作，实际操作顺序不定，

4. 同步
   • 初始化

程序初始化在单一goroutine里面，但是goroutine会创建其他goroutine，然后多个goroutine同步执行。

如果package p引用了package q，q的init函数的执行，会先于所有p的函数执行。

Main.main函数的执行，在所有init函数执行完后。

• • Goroutine的创建

go表达式，会创建一个goroutine，然后该goroutine才能开始执行。

var a string

func f() {
        print(a)
}

func hello() {
        a = "hello, world"
        go f()
}

以上代码示例，调用hello函数，可能在hello已经return到时候，f才回执行print。

1. • Goroutine的销毁

goroutine的退出时机并没有保证一定会在某个事件之前。

var a string

func hello() {
        go func() { a = "hello" }()
        print(a)
}

比如以上示例，对a的赋值，并不保证与hello本身的任何动作保持同步关系，所以也不能保证被其他任何goroutine的读操作观察到。事实上，任何一个激进的编译器都会把这里整个go表达式直接删掉，不做编译。

如果一个goroutine的影响想被其他的goroutine观察到，必须通过同步机制（比如锁、channel）来确定相对顺序关系。

1. • Channel通信

channel通信是goroutines之间主要的同步方式。一般来说channel上的每一次send都会相应有另一个goroutine从此channel受到消息。

同一个channel上，send操作总是先于相应的receive操作完成。

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

func f() {
        a = "hello, world"
        c <- 0
}

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

以上示例，能够保证print出『hello, world』。对a的写，是先于往c中发送0，而从c中接收值，先于print。

channel的关闭，先于接收到该channel关闭而发出来的0.

在上面这个例子中，用close(c)代替 c<-0，其效果是一样的。

对于没有缓存的channel，receive发生在send完成之前。

var c = make(chan int)
var a string

func f() {
        a = "hello, world"
        <-c
}

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

以上示例，依旧能够保证print出『hello, world』。对a的写，先于从c接收；从c接收，先于 c <- 0执行完； c <- 0执行完，先于print执行。

但如果channel是缓存的（例如c = make(chan int, 1)），那么以上程序不能保证print出『hello, world』，甚至有可能出现空值、crash等情况；

对于缓存容量为C的channel，第k次接收，先于K+C次发送完成。

这条规则概括了缓存和非缓存channel的规则。因此基于带缓存的channel，可以实现令牌策略：在channel中缓存的数量代表active的数量；channel的缓存容量表示最大可以使用的数量；发送消息表示申请了一个令牌，接收消息表示释放了一块令牌。这是限制并发常用的一种手段。

var limit = make(chan int, 3)

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

以上示例程序，对于work list中的每一条，都创建了一个goroutine，但是用limit这个带缓存的channel来限制了，最多同时只能有3个goroutines来执行work方法。

1. • 锁机制

sync包中实现了两个锁的数据类型，分别是sync.Mutex和sync.RWMutex

对于任何的sync.Mutex和sync.RWMutex类型变量l，和n<m，对于l.Unlock()的调用n，总是先于对于l.Lock()的调用m。

var l sync.Mutex
var a string

func f() {
        a = "hello, world"
        l.Unlock()
}

func main() {
        l.Lock()
        go f()
        l.Lock()
        print(a)
}

如上示例能够保证print出『hello, world』。f中第一个l.Unlock()的调用，先于main中第二个l.Lock()的调用；第二个l.Lock()的调用先于print的调用;

任何对于l.Rlock的调用（其中l为sync.RWMutex类型变量），总是有一个n，l.Lock在调用n执行l.Unlock之后才能return；对应的，l.RUnlock的执行在调用n+1执行l.Unlock之前。

1. • 单例（Once）

Sync包提供了一种安全的多goroutine种初始化机制，那就是Once类型。对于特定的方法f，多个线程都能调用Once.Do(f)，但是只有一个线程会执行f，其他线程的调用都会阻塞住，直到f执行完。

对于Once.Do(f)，有且仅有一次调用会被真正执行，而且在其他被的调用返回之前执行完。

var a string
var once sync.Once

func setup() {
        a = "hello, world"
}

func doprint() {
        once.Do(setup)
        print(a)
}

func twoprint() {
        go doprint()
        go doprint()
}

这里print两次『hello, world』，但只有第一次调用doprint会执行setup赋值。

5. 不正确的同步

对于同步发生的读操作r和写操作w，r有可能观察到w。但即使发生了这种情况，不代表r之后的读操作，也能观察到w之前的写操作。

var a, b int

func f() {
        a = 1
        b = 2
}

func g() {
        print(b)
        print(a)
}

func main() {
        go f()
        g()
}

如上例子，g打印出2，然后是0.这个事实颠覆了我们的一些习惯认知。

对于同步问题加锁一定要double check。

var a string
var done bool

func setup() {
        a = "hello, world"
        done = true
}

func doprint() {
        if !done {
                once.Do(setup)
        }
        print(a)
}

func twoprint() {
        go doprint()
        go doprint()
}

如这个例子，不能保证观察到done的写操作时候，也能观察到对a的写操作。其中一个goroutine可能打印出空字符串。

另外一种错误的典型如下：

var a string
var done bool

func setup() {
        a = "hello, world"
        done = true
}

func main() {
        go setup()
        for !done {
        }
        print(a)
}

同上一个例子一样，这里对done得写观察，不能保证对a的写观察，所以也可能打印出空字符串。

更甚，由于main和setup两个线程间没有同步事件，并不能保证main中一定能观察到done的写操作，因此main中的一直循环下去没有结束。（这里不是很理解，只能说setup的执行时机和main中for循环没有明确的相对先后和相对距离，所以可能导致循环很久setup还没执行，或执行了但是没有更新到main所读取的done）

还有以上风格的一些变体，如下：

type T struct {
        msg string
}

var g *T

func setup() {
        t := new(T)
        t.msg = "hello, world"
        g = t
}

func main() {
        go setup()
        for g == nil {
        }
        print(g.msg)
}

即使main能够观察到g的赋值而退出循环，但是也不能保证观察到g.msg的初始化值。

对于以上所有例子，解决方案是一样的，定义明确的同步机制。