Go 開(kāi)發(fā)要了解的 1 個(gè)內(nèi)存模型細(xì)節(jié)
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大家好，我是煎魚(yú)。
在日常工作中，如果我們能夠了解 Go 語(yǔ)言內(nèi)存模型，那會(huì)帶來(lái)非常大的作用。這樣在看一些極端情況，又或是變態(tài)面試題的時(shí)候，就能夠明白程序運(yùn)行表現(xiàn)下的很多根本原因了。
當(dāng)然，靠一篇普通文章講完 Go 內(nèi)存模型，不可能。因此今天這篇文章，把重點(diǎn)劃在給大家講解 Go 語(yǔ)言的 happens-before 原則這 1 個(gè)細(xì)節(jié)。
開(kāi)吸，和煎魚(yú)揭開(kāi)他的神秘面紗!
內(nèi)存模型定義是什么
既然要了解 happens-before 原則，我們得先知道 The Go Memory Model(Go 內(nèi)存模型)定義的是什么，官方解釋如下：
The Go memory model specifies the conditions under which reads of a variable in one goroutine can be guaranteed to observe values produced by writes to the same variable in a different goroutine.
在 Go 內(nèi)存模型規(guī)定：“在一個(gè) goroutine 中讀取一個(gè)變量時(shí)，可以保證觀察到不同 goroutine 中對(duì)同一變量的寫(xiě)入所產(chǎn)生的值” 的條件。
這是學(xué)習(xí)后續(xù)知識(shí)的一個(gè)大前提。
happens-before 是什么
Happens Before 是一個(gè)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，與 Go 語(yǔ)言沒(méi)有直接關(guān)系，也就是并非是特有的。用大白話來(lái)講，其定義是：
在一個(gè)多線程程序中，假設(shè)存在 A 和 B 兩個(gè)操作，如果 A 操作在 B 操作之前發(fā)生(A happens-before B)，那么 A 操作對(duì)內(nèi)存的影響將會(huì)對(duì)執(zhí)行 B 的線程可見(jiàn)。
A 不一定 happens-before B
從 happens-before 定義來(lái)看，我們可以反過(guò)來(lái)想。那就是：
在同一個(gè)(相同)線程中，如果都執(zhí)行 A 和 B 操作，并且 A 的聲明一定在 B 之前，那么 A 一定先于(happens-before)B 發(fā)生。
以下述 Go 代碼例子：
- var A int
- var B int
- func main() {
- A = B + 1 (1)
- B = 1 (2)
- }
該代碼是在同一個(gè) main goroutine，全局變量 A 在變量 B 之前聲明。
在 main 函數(shù)中，代碼行 (1)，也在代碼行 (2) 之前。因此我們可以得出 (1) 一定會(huì)在 (2) 前執(zhí)行，對(duì)嗎?
答案是：錯(cuò)誤的，因?yàn)?A happens-before B 并不意味著 A 操作一定會(huì)在 B 操作之前發(fā)生。
實(shí)際上在編譯器中，上述代碼在匯編的真正執(zhí)行順序如下：
- 0x0000 00000 (main.go:7) MOVQ "".B(SB), AX
- 0x0007 00007 (main.go:7) INCQ AX
- 0x000a 00010 (main.go:7) MOVQ AX, "".A(SB)
- 0x0011 00017 (main.go:8) MOVQ $1, "".B(SB)
- (2)：加載 B 到寄存器 AX。
- (2)：進(jìn)行 B = 1 賦值，在代碼中執(zhí)行為 INCQ 自增。
- (1)：將寄存器 AX 中值加上 1 后賦值給 A。
通過(guò)上述分析，我們可以得知。在代碼行 (1) 在 (2) 之前，但確實(shí) (2) 比 (1) 更早執(zhí)行。
那么這是不是意味著違反了 happens-before 的設(shè)計(jì)原則，畢竟這可是同個(gè)線程里的操作，Go 編譯器有 BUG?
其實(shí)不然，因?yàn)閷?duì) A 的賦值實(shí)質(zhì)上對(duì) B 的賦值沒(méi)有影響。所以并沒(méi)有違反 happens-before 的設(shè)計(jì)原則。
Go 語(yǔ)言中的 happens-before
在 《The Go Memory Model》 中，給出了 Go 語(yǔ)言中 Happens Before 的明確語(yǔ)言定義。
以下術(shù)語(yǔ)將會(huì)在介紹中用到：
- 變量 v：一個(gè)指代性的變量，用于示例演示。
- 讀 r：代表讀操作。
- 寫(xiě) w：代表寫(xiě)操作。
定義
在滿足如下兩點(diǎn)條件下，允許對(duì)變量 v 的讀 r 觀察對(duì) v 的寫(xiě) w：
r 在 w 之前沒(méi)有發(fā)生。
沒(méi)有其他寫(xiě)到 v 的 w' 發(fā)生在 w 之后但在 r 之前。
為了保證變量 v 的讀 r 觀察到對(duì) v 的特定寫(xiě) w，確保 w 是唯一允許 r 觀察的寫(xiě)。
因此如果以下兩點(diǎn)都成立，就能保證 r 能觀察到 w ：
w 發(fā)生在 r 之前。
對(duì)共享變量 v 的任何其他寫(xiě)入都發(fā)生在 w 之前或 r 之后。
這看起來(lái)比較生澀，接下來(lái)我們以《The Go Memory Model》 中具體的 channel 例子來(lái)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，會(huì)更好理解一些。
Go Channel 實(shí)例
在 Go 語(yǔ)言中提倡不要通過(guò)共享內(nèi)存來(lái)進(jìn)行通訊;相反，應(yīng)當(dāng)通過(guò)通訊來(lái)共享內(nèi)存：
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
因此在 Go 工程中，Channel 是一個(gè)非常常用的語(yǔ)法。在原則上其需要遵守：
一個(gè) channel 上的發(fā)送是在該 channel 的相應(yīng)接收完成之前發(fā)生的。
channel 的關(guān)閉發(fā)生在接收之前，因?yàn)橥ǖ辣魂P(guān)閉而返回一個(gè)零值。
一個(gè)無(wú)緩沖 channel 的接收發(fā)生在該 channel 的發(fā)送完成之前。
一個(gè)容量為 C 的 channel 上，第 k 次接收發(fā)生在該 channel 的第 k+C 次發(fā)送完成之前。
接下來(lái)根據(jù)這四條原則，我們逐一給出例子，用于學(xué)習(xí)和理解。
例子 1
Go channel 例子 1，你認(rèn)為輸出的結(jié)果是什么。如下：
- var c = make(chan int, 10)
- var a string
- func f() {
- a = "炸煎魚(yú)" (1)
- c <- 0 (2)
- }
- func main() {
- go f()
- <-c (3)
- print(a) (4)
- }
答案是空字符串嗎?
程序最終結(jié)果是正常輸出 “炸煎魚(yú)” 的，原因如下：
- (1) happens-before (2) 。
- (4) happens-after (3)。
當(dāng)然，最后 (1) 寫(xiě)入變量 a 的操作，必然 happens-before 于 (4) print 方法，因此正確的輸出了 “炸煎魚(yú)”。
能夠滿足 “一個(gè) channel 上的發(fā)送是在該 channel 的相應(yīng)接收完成之前發(fā)生的”。
例子 2
主要是確保了關(guān)閉管道時(shí)的行為。只需要在前面的例子中，替換 c <- 0 成 close(c) 就能夠產(chǎn)生具有相同的行為保證的程序。
能夠滿足 “channel 的關(guān)閉發(fā)生在接收之前，因?yàn)橥ǖ辣魂P(guān)閉而返回一個(gè)零值”。
例子 3
Go channel 例子 3，你認(rèn)為輸出的結(jié)果是什么。如下：
- var c = make(chan int)
- var a string
- func f() {
- a = "煎魚(yú)進(jìn)腦子了" (1)
- <-c (2)
- }
- func main() {
- go f()
- c <- 0 (3)
- print(a) (4)
- }
答案是空字符串嗎?
程序最終結(jié)果是正常輸出 “煎魚(yú)進(jìn)腦子了” 的，原因如下：
- (2) happens-before (3)。
- (1) happens-before (4)。
能夠滿足 “一個(gè)無(wú)緩沖 channel 的接收發(fā)生在該 channel 的發(fā)送完成之前”。
如果我們把無(wú)緩沖改為 make(chan int, 1)，也就是帶緩沖的 channel，則無(wú)法保證正常的輸出 “煎魚(yú)進(jìn)腦子了”。
例子 4
Go channel 例子 4，這個(gè)程序?yàn)楣ぷ髁斜碇械拿總€(gè)條目啟動(dòng)一個(gè) goroutine，但 goroutine 使用 channel 進(jìn)行協(xié)調(diào)，以確保每次最多只有三個(gè)工作函數(shù)在運(yùn)行。
代碼如下：
- var limit = make(chan int, 3)
- func main() {
- for _, w := range work {
- go func(w func()) {
- limit <- 1
- w()
- <-limit
- }(w)
- }
- select{}
- }
能夠滿足 “一個(gè)容量為 C 的 channel 上，第 k 次接收發(fā)生在該 channel 的第 k+C 次發(fā)送完成之前”。
總結(jié)
在本文中，我們針對(duì) happens-before 原則進(jìn)行了基本的說(shuō)明。同時(shí)結(jié)合 Go 語(yǔ)言中實(shí)際的 happens-before 和 happens-after 的場(chǎng)景進(jìn)了展示和講解。
實(shí)際上，在日常的開(kāi)發(fā)工作中，happens-before 原則基本已經(jīng)深入到潛意識(shí)中，就跟設(shè)計(jì)模式一樣。會(huì)不知覺(jué)就應(yīng)用到，但是若我們希望更進(jìn)一步的對(duì) Go 語(yǔ)言等內(nèi)存模型就行研究和理解，就必須對(duì)這個(gè)基本理念有所認(rèn)知。
你平時(shí)有沒(méi)有注意到這塊的問(wèn)題呢，歡迎大家留言和討論!
參考
The Go Memory Model
Go內(nèi)存模型&Happen-Before(一)
GoLang 內(nèi)存模型
Golang happens before & channel
Go 內(nèi)存模型
