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深入探討Go語言中的map是否是并發(fā)安全以及解決方法

更新時(shí)間：2023年05月29日 08:29:12 作者：yongxinz

這篇文章主要來和大家探討?Go?語言中的?map?是否是并發(fā)安全的，并提供三種方案來解決并發(fā)問題，文中的示例代碼講解詳細(xì)，需要的可以參考一下

package?main

import?"sync"

func?main()?{
????m?:=?make(map[string]int)
????m["foo"]?=?1

????var?wg?sync.WaitGroup
????wg.Add(2)

????go?func()?{
????????for?i?:=?0;?i?<?1000;?i++?{
????????????m["foo"]++
????????}
????????wg.Done()
????}()

????go?func()?{
????????for?i?:=?0;?i?<?1000;?i++?{
????????????m["foo"]++
????????}
????????wg.Done()
????}()

????wg.Wait()
}

在這個(gè)例子中，我們可以看到，兩個(gè) goroutine 將嘗試同時(shí)對(duì) map 進(jìn)行寫入。運(yùn)行這個(gè)程序時(shí)，我們將看到一個(gè)錯(cuò)誤：

fatal error: concurrent map writes

也就是說，在并發(fā)場(chǎng)景下，這樣操作 map 是不行的。

為什么是不安全的

因?yàn)樗?strong>沒有內(nèi)置的鎖機(jī)制來保護(hù)多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)其進(jìn)行讀寫操作。

當(dāng)多個(gè) goroutine 同時(shí)對(duì)同一個(gè) map 進(jìn)行讀寫操作時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不一致的結(jié)果。

就像上例那樣，當(dāng)兩個(gè) goroutine 同時(shí)嘗試更新同一個(gè)鍵值對(duì)時(shí)，最終的結(jié)果可能取決于哪個(gè) goroutine 先完成了更新操作。這種不確定性可能會(huì)導(dǎo)致程序出現(xiàn)錯(cuò)誤或崩潰。

Go 語言團(tuán)隊(duì)沒有將 map 設(shè)計(jì)成并發(fā)安全的，是因?yàn)檫@樣會(huì)增加程序的開銷并降低性能。

如果 map 內(nèi)置了鎖機(jī)制，那么每次訪問 map 時(shí)都需要進(jìn)行加鎖和解鎖操作，這會(huì)增加程序的運(yùn)行時(shí)間并降低性能。

此外，并不是所有的程序都需要在并發(fā)場(chǎng)景下使用 map，因此將鎖機(jī)制內(nèi)置到 map 中會(huì)對(duì)那些不需要并發(fā)安全的程序造成不必要的開銷。

在實(shí)際使用過程中，開發(fā)人員可以根據(jù)程序的需求來選擇是否需要保證 map 的并發(fā)安全性，從而在性能和安全性之間做出權(quán)衡。

如何并發(fā)安全

接下來介紹三種并發(fā)安全的方式：

讀寫鎖
分片加鎖
sync.Map

加讀寫鎖

第一種方法是使用讀寫鎖，這是最容易想到的一種方式。在讀操作時(shí)加讀鎖，在寫操作時(shí)加寫鎖。

package?main

import?(
????"fmt"
????"sync"
)

type?SafeMap?struct?{
????sync.RWMutex
????Map?map[string]string
}

func?NewSafeMap()?*SafeMap?{
????sm?:=?new(SafeMap)
????sm.Map?=?make(map[string]string)
????return?sm
}

func?(sm?*SafeMap)?ReadMap(key?string)?string?{
????sm.RLock()
????value?:=?sm.Map[key]
????sm.RUnlock()
????return?value
}

func?(sm?*SafeMap)?WriteMap(key?string,?value?string)?{
????sm.Lock()
????sm.Map[key]?=?value
????sm.Unlock()
}

func?main()?{
????safeMap?:=?NewSafeMap()

????var?wg?sync.WaitGroup

????//?啟動(dòng)多個(gè)goroutine進(jìn)行寫操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????safeMap.WriteMap(fmt.Sprintf("name%d",?i),?fmt.Sprintf("John%d",?i))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()

????//?啟動(dòng)多個(gè)goroutine進(jìn)行讀操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????fmt.Println(safeMap.ReadMap(fmt.Sprintf("name%d",?i)))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()
}

在這個(gè)示例中，我們定義了一個(gè) SafeMap 結(jié)構(gòu)體，它包含一個(gè) sync.RWMutex 和一個(gè) map[string]string。

定義了兩個(gè)方法：ReadMap 和 WriteMap。在 ReadMap 方法中，我們使用讀鎖來保護(hù)對(duì) map 的讀取操作。在 WriteMap 方法中，我們使用寫鎖來保護(hù)對(duì) map 的寫入操作。

在 main 函數(shù)中，我們啟動(dòng)了多個(gè) goroutine 來進(jìn)行讀寫操作，這些操作都是安全的。

分片加鎖

上例中通過對(duì)整個(gè) map 加鎖來實(shí)現(xiàn)需求，但相對(duì)來說，鎖會(huì)大大降低程序的性能，那如何優(yōu)化呢？其中一個(gè)優(yōu)化思路就是降低鎖的粒度，不對(duì)整個(gè) map 進(jìn)行加鎖。

這種方法是分片加鎖，將這個(gè) map 分成 n 塊，每個(gè)塊之間的讀寫操作都互不干擾，從而降低沖突的可能性。

package?main

import?(
????"fmt"
????"sync"
)

const?N?=?16

type?SafeMap?struct?{
????maps??[N]map[string]string
????locks?[N]sync.RWMutex
}

func?NewSafeMap()?*SafeMap?{
????sm?:=?new(SafeMap)
????for?i?:=?0;?i?<?N;?i++?{
????????sm.maps[i]?=?make(map[string]string)
????}
????return?sm
}

func?(sm?*SafeMap)?ReadMap(key?string)?string?{
????index?:=?hash(key)?%?N
????sm.locks[index].RLock()
????value?:=?sm.maps[index][key]
????sm.locks[index].RUnlock()
????return?value
}

func?(sm?*SafeMap)?WriteMap(key?string,?value?string)?{
????index?:=?hash(key)?%?N
????sm.locks[index].Lock()
????sm.maps[index][key]?=?value
????sm.locks[index].Unlock()
}

func?hash(s?string)?int?{
????h?:=?0
????for?i?:=?0;?i?<?len(s);?i++?{
????????h?=?31*h?+?int(s[i])
????}
????return?h
}

func?main()?{
????safeMap?:=?NewSafeMap()

????var?wg?sync.WaitGroup

????//?啟動(dòng)多個(gè)goroutine進(jìn)行寫操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????safeMap.WriteMap(fmt.Sprintf("name%d",?i),?fmt.Sprintf("John%d",?i))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()

????//?啟動(dòng)多個(gè)goroutine進(jìn)行讀操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????fmt.Println(safeMap.ReadMap(fmt.Sprintf("name%d",?i)))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()
}

在這個(gè)示例中，我們定義了一個(gè) SafeMap 結(jié)構(gòu)體，它包含一個(gè)長度為 N 的 map 數(shù)組和一個(gè)長度為 N 的鎖數(shù)組。

定義了兩個(gè)方法：ReadMap 和 WriteMap。在這兩個(gè)方法中，我們都使用了一個(gè) hash 函數(shù)來計(jì)算 key 應(yīng)該存儲(chǔ)在哪個(gè) map 中。然后再對(duì)這個(gè) map 進(jìn)行讀寫操作。

在 main 函數(shù)中，我們啟動(dòng)了多個(gè) goroutine 來進(jìn)行讀寫操作，這些操作都是安全的。

有一個(gè)開源項(xiàng)目 orcaman/concurrent-map 就是通過這種思想來做的，感興趣的同學(xué)可以看看。

sync.Map

最后，在內(nèi)置的 sync 包中（Go 1.9+）也有一個(gè)線程安全的 map，通過將讀寫分離的方式實(shí)現(xiàn)了某些特定場(chǎng)景下的性能提升。

package?main

import?(
????"fmt"
????"sync"
)

func?main()?{
????var?m?sync.Map
????var?wg?sync.WaitGroup

????//?啟動(dòng)多個(gè)goroutine進(jìn)行寫操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????m.Store(fmt.Sprintf("name%d",?i),?fmt.Sprintf("John%d",?i))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()

????//?啟動(dòng)多個(gè)goroutine進(jìn)行讀操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????v,?_?:=?m.Load(fmt.Sprintf("name%d",?i))
????????????fmt.Println(v.(string))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()
}

有了官方的支持，代碼瞬間少了很多，使用起來方便多了。

在這個(gè)示例中，我們使用了內(nèi)置的 sync.Map 類型來存儲(chǔ)鍵值對(duì)，使用 Store 方法來存儲(chǔ)鍵值對(duì)，使用 Load 方法來獲取鍵值對(duì)。

在 main 函數(shù)中，我們啟動(dòng)了多個(gè) goroutine 來進(jìn)行讀寫操作，這些操作都是安全的。