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竞争状态

竞争状态

作者: 乔大叶_803e | 来源:发表于2020-03-25 15:58 被阅读0次

    有并发,就有资源竞争,如果两个或者多个 goroutine 在没有相互同步的情况下,访问某个共享的资源,比如同时对该资源进行读写时,就会处于相互竞争的状态,这就是并发中的资源竞争。

    并发本身并不复杂,但是因为有了资源竞争的问题,就使得我们开发出好的并发程序变得复杂起来,因为会引起很多莫名其妙的问题。

    下面的代码中就会出现竞争状态:

    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
        }
    }
    

    这是一个资源竞争的例子,大家可以将程序多运行几次,会发现结果可能是 2,也可以是 3,还可能是 4。这是因为 count 变量没有任何同步保护,所以两个 goroutine 都会对其进行读写,会导致对已经计算好的结果被覆盖,以至于产生错误结果。

    代码中的 runtime.Gosched() 是让当前 goroutine 暂停的意思,退回执行队列,让其他等待的 goroutine 运行,目的是为了使资源竞争的结果更明显。

    下面我们来分析一下程序的运行过程,将两个 goroutine 分别假设为 g1 和 g2:

    • g1 读取到 count 的值为 0;
    • 然后 g1 暂停了,切换到 g2 运行,g2 读取到 count 的值也为 0;
    • g2 暂停,切换到 g1,g1 对 count+1,count 的值变为 1;
    • g1 暂停,切换到 g2,g2 刚刚已经获取到值 0,对其 +1,最后赋值给 count,其结果还是 1;
    • 可以看出 g1 对 count+1 的结果被 g2 给覆盖了,两个 goroutine 都 +1 而结果还是 1。

    通过上面的分析可以看出,之所以出现上面的问题,是因为两个 goroutine 相互覆盖结果。

    所以我们对于同一个资源的读写必须是原子化的,也就是说,同一时间只能允许有一个 goroutine 对共享资源进行读写操作。

    共享资源竞争的问题,非常复杂,并且难以察觉,好在 Go 为我们提供了一个工具帮助我们检查,这个就是go build -race 命令。在项目目录下执行这个命令,生成一个可以执行文件,然后再运行这个可执行文件,就可以看到打印出的检测信息。

    在go build命令中多加了一个-race 标志,这样生成的可执行程序就自带了检测资源竞争的功能,运行生成的可执行文件,效果如下所示:

    ==================
    WARNING: DATA RACE
    Read at 0x000000619cbc by goroutine 8:
      main.incCount()
          D:/code/src/main.go:25 +0x80
    
    Previous write at 0x000000619cbc by goroutine 7:
      main.incCount()
          D:/code/src/main.go:28 +0x9f
    
    Goroutine 8 (running) created at:
      main.main()
          D:/code/src/main.go:17 +0x7e
    
    Goroutine 7 (finished) created at:
      main.main()
          D:/code/src/main.go:16 +0x66
    ==================
    4
    Found 1 data race(s)
    

    通过运行结果可以看出 goroutine 8 在代码 25 行读取共享资源value := count,而这时 goroutine 7 在代码 28 行修改共享资源count = value,而这两个 goroutine 都是从 main 函数的 16、17 行通过 go 关键字启动的。

    锁住共享资源

    Go语言提供了传统的同步 goroutine 的机制,就是对共享资源加锁。atomic 和 sync 包里的一些函数就可以对共享的资源进行加锁操作。

    原子函数

    原子函数能够以很底层的加锁机制来同步访问整型变量和指针,示例代码如下所示:

    package main
    
    import (
        "fmt"
        "runtime"
        "sync"
        "sync/atomic"
    )
    
    var (
        counter int64
        wg      sync.WaitGroup
    )
    
    func main() {
        wg.Add(2)
        go incCounter(1)
        go incCounter(2)
    
        wg.Wait() //等待goroutine结束
        fmt.Println(counter)
    }
    
    func incCounter(id int) {
        defer wg.Done()
        for count := 0; count < 2; count++ {
            atomic.AddInt64(&counter, 1) //安全的对counter加1
    
            runtime.Gosched()
        }
    }
    

    上述代码中使用了 atmoic 包的 AddInt64 函数,这个函数会同步整型值的加法,方法是强制同一时刻只能有一个 gorountie 运行并完成这个加法操作。当 goroutine 试图去调用任何原子函数时,这些 goroutine 都会自动根据所引用的变量做同步处理。

    另外两个有用的原子函数是 LoadInt64 和 StoreInt64。这两个函数提供了一种安全地读和写一个整型值的方式。下面是代码就使用了 LoadInt64 和 StoreInt64 函数来创建一个同步标志,这个标志可以向程序里多个 goroutine 通知某个特殊状态。

    package main
    
    import (
        "fmt"
        "sync"
        "sync/atomic"
        "time"
    )
    
    var (
        shutdown int64
        wg       sync.WaitGroup
    )
    
    func main() {
        wg.Add(2)
    
        go doWork("A")
        go doWork("B")
    
        time.Sleep(1 * time.Second)
        fmt.Println("Shutdown Now")
        atomic.StoreInt64(&shutdown, 1)
        wg.Wait()
    }
    
    func doWork(name string) {
        defer wg.Done()
    
        for {
            fmt.Printf("Doing %s Work\n", name)
            time.Sleep(250 * time.Millisecond)
    
            if atomic.LoadInt64(&shutdown) == 1 {
                fmt.Printf("Shutting %s Down\n", name)
                break
            }
        }
    }
    

    上面代码中 main 函数使用 StoreInt64 函数来安全地修改 shutdown 变量的值。如果哪个 doWork goroutine 试图在 main 函数调用 StoreInt64 的同时调用 LoadInt64 函数,那么原子函数会将这些调用互相同步,保证这些操作都是安全的,不会进入竞争状态。

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