淺談Golang數(shù)據(jù)競態(tài)
更新時間：2023年02月08日 10:22:39 作者：耳冉鵝
本文主要介紹了淺談Golang數(shù)據(jù)競態(tài)，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧
本文以一個簡單事例的多種解決方案作為引子，用結(jié)構(gòu)體Demo來總結(jié)各種并發(fā)讀寫的情況
一個數(shù)據(jù)競態(tài)的case
package main
import (
"fmt"
"testing"
"time"
)
func Test(t *testing.T) {
fmt.Print("getNum(): ")
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Print(strconv.Itoa(getNum()) + " ")
}
fmt.Println()
}
func getNum() int {
var num int
go func() {
num = 53
}()
time.Sleep(500)
return num
}
在case中，getNum先聲明一個變量num，之后在goRoutine中單讀對num進行設(shè)置，而此時程序也正從函數(shù)中返回num， 因為不知道goRoutine是否完成了對num的修改，所以會導(dǎo)致以下兩種結(jié)果：
- goRoutine先完成對num的修改，最后返回5
- 變量num的值從函數(shù)返回，結(jié)果為默認值0
操作完成的順序不同，導(dǎo)致最后的輸出結(jié)果不同，這就是將其稱為數(shù)據(jù)竟態(tài)的原因。
檢查數(shù)據(jù)競態(tài)
Go有內(nèi)置的數(shù)據(jù)競爭檢測器，可以使用它來查看潛在的數(shù)據(jù)競爭條件。使用它就像-race在普通的Go命令行工具中添加標志一樣。
- 運行時檢查： go run -race main.go
- 構(gòu)建時檢查： go build -race main.go
- 測試時檢查： go test -race main.go
所有避免產(chǎn)生競態(tài)背后的核心原則是防止對同一變量或內(nèi)存位置同時進行讀寫訪問
解決方案
1、WaitGroup等待
解決數(shù)據(jù)競態(tài)的最直接方法是阻止讀取訪問操作直到寫操作完成為止。
可以以最少的麻煩解決問題，但必須要保證Add和Done出現(xiàn)次數(shù)一致，否則會一致阻塞程序，無限制消耗內(nèi)存，直至資源耗盡服務(wù)宕機
func getNumByWaitGroup() int {
var num int
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(1) // 表示有一個任務(wù)需要等待，等待任務(wù)數(shù)+1
go func() {
num = 53
wg.Done() // 完成一個處于等待隊列的任務(wù)，等待任務(wù)-1
// Done decrements the WaitGroup counter by one.
// func (wg *WaitGroup) Done() {
// wg.Add(-1)
//}
}()
wg.Wait() // 阻塞等待，直到等待隊列的任務(wù)數(shù)為0
return num
}
2、Channel阻塞等待
與1相似
func getNumByChannel() int {
var num int
ch := make(chan struct{}) // 創(chuàng)建一個類型為結(jié)構(gòu)體的channel，并初始化為空
go func() {
num = 53
ch <- struct{}{} // 推送一個空結(jié)構(gòu)體到ch
}()
<-ch // 使程序處于阻塞狀態(tài)，直到ch獲取到推送的值
return num
}
3、Channel通道
獲取結(jié)果后通過通道推送結(jié)果，與前兩種方法不同，該方法不會進行任何阻塞。
相反，保留了阻塞調(diào)用代碼的時機，因此它允許更高級別的功能決定自己的阻塞合并發(fā)機制，而不是將getXX功能視為同步功能
func getNumByChan() <-chan int {
var num int
ch := make(chan int) // 創(chuàng)建一個類型為int的channel
go func() {
num = 53
ch <- num // 推送一個int到ch
}()
return ch // 返回chan
}
4、互斥鎖
上述三種方法解決的是num在寫操作完成后才能讀取的情況
不管讀寫順序如何，只要求它們不能同時發(fā)生——> 互斥鎖
// 首先，創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體，其中包含我們想要返回的值以及一個互斥實例
type NumLock struct {
val int
m sync.Mutex
}
func (num *NumLock) Get() int {
// The `Lock` method of the mutex blocks if it is already locked
// if not, then it blocks other calls until the `Unlock` method is called
// Lock方法
// 調(diào)用結(jié)構(gòu)體對象的Lock方法將會鎖定該對象中的變量；如果沒有，將會阻塞其他調(diào)用，直到該互斥對象的Unlock方法被調(diào)用
num.m.Lock()
// 直到該方法返回，該實例對象才會被解鎖
defer num.m.Unlock()
// 返回安全類型的實例對象中的值
return num.val
}
func (num *NumLock) Set(val int) {
// 類似于上面的getNum方法，鎖定num對象直到寫入“num.val”的值完成
num.m.Lock()
defer num.m.Unlock()
num.val = val
}
func getNumByLock() int {
// 創(chuàng)建一個`NumLock`的示例
num := &NumLock{}
// 使用“Set”和“Get”來代替常規(guī)的復(fù)制修改和讀取值，這樣就可以確保只有在寫操作完成時我們才能進行閱讀，反之亦然
go func() {
num.Set(53)
}()
time.Sleep(500)
return num.Get()
}
這里要注意，我們無法保證最后取得的num值
當有多個寫入和讀取操作混合在一起時，使用Mutex互斥可以保證讀寫的值與預(yù)期結(jié)果一致
附上結(jié)果：
完整代碼：
package main
import (
"fmt"
"strconv"
"sync"
"testing"
"time"
)
func Test(t *testing.T) {
fmt.Print("getNum(): ")
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Print(strconv.Itoa(getNum()) + " ")
}
fmt.Println()
fmt.Print("getNumByWaitGroup(): ")
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Print(strconv.Itoa(getNumByWaitGroup()) + " ")
}
fmt.Println()
fmt.Print("getNumByChannel(): ")
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Print(strconv.Itoa(getNumByChannel()) + " ")
}
fmt.Println()
fmt.Print("getNumByChan(): ")
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Print(strconv.Itoa(<-getNumByChan()) + " ")
}
fmt.Println()
fmt.Print("getNumByLock(): ")
for i := 0; i < 10; i++ {
fmt.Print(strconv.Itoa(getNumByLock()) + " ")
}
fmt.Println()
fmt.Print("getFact(): ")
fmt.Println(getFact())
fmt.Println()
}
func getNum() int {
var num int
go func() {
num = 53
}()
time.Sleep(500)
return num
}
func getNumByWaitGroup() int {
var num int
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(1) // 表示有一個任務(wù)需要等待，等待任務(wù)數(shù)+1
go func() {
num = 53
wg.Done() // 完成一個處于等待隊列的任務(wù)，等待任務(wù)-1
// Done decrements the WaitGroup counter by one.
// func (wg *WaitGroup) Done() {
// wg.Add(-1)
//}
}()
wg.Wait() // 阻塞等待，直到等待隊列的任務(wù)數(shù)為0
return num
}
func getNumByChannel() int {
var num int
ch := make(chan struct{}) // 創(chuàng)建一個類型為結(jié)構(gòu)體的channel，并初始化為空
go func() {
num = 53
ch <- struct{}{} // 推送一個空結(jié)構(gòu)體到ch
}()
<-ch // 使程序處于阻塞狀態(tài)，直到ch獲取到推送的值
return num
}
func getNumByChan() <-chan int {
var num int
ch := make(chan int) // 創(chuàng)建一個類型為int的channel
go func() {
num = 53
ch <- num // 推送一個int到ch
}()
return ch // 返回chan
}
// 首先，創(chuàng)建一個結(jié)構(gòu)體，其中包含我們想要返回的值以及一個互斥實例
type NumLock struct {
val int
m sync.Mutex
}
func (num *NumLock) Get() int {
// The `Lock` method of the mutex blocks if it is already locked
// if not, then it blocks other calls until the `Unlock` method is called
// Lock方法
// 調(diào)用結(jié)構(gòu)體對象的Lock方法將會鎖定該對象中的變量；如果沒有，將會阻塞其他調(diào)用，直到該互斥對象的Unlock方法被調(diào)用
num.m.Lock()
// 直到該方法返回，該實例對象才會被解鎖
defer num.m.Unlock()
// 返回安全類型的實例對象中的值
return num.val
}
func (num *NumLock) Set(val int) {
// 類似于上面的getNum方法，鎖定num對象直到寫入“num.val”的值完成
num.m.Lock()
defer num.m.Unlock()
num.val = val
}
func getNumByLock() int {
// 創(chuàng)建一個`NumLock`的示例
num := &NumLock{}
// 使用“Set”和“Get”來代替常規(guī)的復(fù)制修改和讀取值，這樣就可以確保只有在寫操作完成時我們才能進行閱讀，反之亦然
go func() {
num.Set(53)
}()
time.Sleep(500)
return num.Get()
}
func getFact() []string {
ch := make(chan string)
//defer close(ch)
res := make([]string, 0)
num := &NumLock{}
go func() {
for i := 10; i > 0; i-- {
num.Set(i)
ch <- strconv.Itoa(num.Get())
}
close(ch)
}()
for i := range ch {
res = append(res, i)
}
return res
}
典型數(shù)據(jù)競態(tài)
1、循環(huán)計數(shù)上的競態(tài)
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(5)
for i := 0; i < 5; i++ {
go func() {
fmt.Println(i) // Not the 'i' you are looking for.
wg.Done()
}()
}
wg.Wait()
}
函數(shù)文字中的變量i與循環(huán)使用的變量相同，因此goroutine中的讀取與循環(huán)增量競爭。
（此程序通常打印55555，而不是01234）
該程序可以通過復(fù)制變量來修復(fù)：
func main() {
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(5)
for i := 0; i < 5; i++ {
go func(j int) {
fmt.Println(j) // Good. Read local copy of the loop counter.
wg.Done()
}(i)
}
wg.Wait()
}
2、意外共享變量
func ParallelWrite(data []byte) chan error {
res := make(chan error, 2)
f1, err := os.Create("file1")
if err != nil {
res <- err
} else {
go func() {
// This err is shared with the main goroutine,
// so the write races with the write below.
_, err = f1.Write(data)
res <- err
f1.Close()
}()
}
f2, err := os.Create("file2") // The second conflicting write to err.
if err != nil {
res <- err
} else {
go func() {
_, err = f2.Write(data)
res <- err
f2.Close()
}()
}
return res
}
修復(fù)方法是在goroutines中引入新變量（注意使用:=）：
... _, err := f1.Write(data) ... _, err := f2.Write(data) ...
3、無保護的全局變量
如果從幾個goroutine調(diào)用以下代碼，則會導(dǎo)致service的map產(chǎn)生競態(tài)。同一map的并發(fā)讀寫不安全：
var service map[string]net.Addr
func RegisterService(name string, addr net.Addr) {
service[name] = addr
}
func LookupService(name string) net.Addr {
return service[name]
}
To make the code safe, protect the accesses with a mutex:
var (
service map[string]net.Addr
serviceMu sync.Mutex
)
func RegisterService(name string, addr net.Addr) {
serviceMu.Lock()
defer serviceMu.Unlock()
service[name] = addr
}
func LookupService(name string) net.Addr {
serviceMu.Lock()
defer serviceMu.Unlock()
return service[name]
}
4、原始無保護變量
數(shù)據(jù)競態(tài)也可以發(fā)生在原始類型的變量上（bool、int、int64等）
type Watchdog struct{ last int64 }
func (w *Watchdog) KeepAlive() {
w.last = time.Now().UnixNano() // First conflicting access.
}
func (w *Watchdog) Start() {
go func() {
for {
time.Sleep(time.Second)
// Second conflicting access.
if w.last < time.Now().Add(-10*time.Second).UnixNano() {
fmt.Println("No keepalives for 10 seconds. Dying.")
os.Exit(1)
}
}
}()
}
即使這種“無辜”的數(shù)據(jù)競爭也可能導(dǎo)致因內(nèi)存訪問的非原子性、干擾編譯器優(yōu)化或訪問處理器內(nèi)存的重新排序問題而導(dǎo)致難以調(diào)試的問題。
這場比賽的一個典型修復(fù)方法是使用通道或互斥體。為了保持無鎖行為，也可以使用sync/atomic包
type Watchdog struct{ last int64 }
func (w *Watchdog) KeepAlive() {
atomic.StoreInt64(&w.last, time.Now().UnixNano())
}
func (w *Watchdog) Start() {
go func() {
for {
time.Sleep(time.Second)
if atomic.LoadInt64(&w.last) < time.Now().Add(-10*time.Second).UnixNano() {
fmt.Println("No keepalives for 10 seconds. Dying.")
os.Exit(1)
}
}
}()
}
5、未同步的發(fā)送和關(guān)閉操作
同一通道上的非同步發(fā)送和關(guān)閉操作也可能是一個競態(tài)條件
c := make(chan struct{}) // or buffered channel
// The race detector cannot derive the happens before relation
// for the following send and close operations. These two operations
// are unsynchronized and happen concurrently.
go func() { c <- struct{}{} }()
close(c)
根據(jù)Go內(nèi)存模型，通道上的發(fā)送發(fā)生在該通道的相應(yīng)接收完成之前。要同步發(fā)送和關(guān)閉操作，請使用接收操作來保證發(fā)送在關(guān)閉前完成：
c := make(chan struct{}) // or buffered channel
go func() { c <- struct{}{} }()
<-c
close(c)
到此這篇關(guān)于淺談Golang數(shù)據(jù)競態(tài)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Golang數(shù)據(jù)競態(tài)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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