Go语言内存模型

转自：https://code.google.com/p/golang-china/wiki/go_mem

简介

Go的内存模型详述了"在一个groutine中对变量进行读操作能够侦测到在其他goroutine中对该变量的写操作"的条件.

Happens Before

对于一个goroutine来说，它其中变量的读, 写操作执行表现必须和从所写的代码得出的预期是一致的。也就是说，在不改变程序表现的情况下，编译器和处理器为了优化代码可能会改变变量的操作顺序即: 指令乱序重排。但是在两个不同的goroutine对相同变量操作时, 会因为指令重排导致不同的goroutine对变量的操作顺序的认识变得不一致。例如，一个goroutine执行a = 1; b = 2;，在另一个goroutine中可能会现感知到变量b先于变量a被改变。

为了解决这种二义性问题，Go语言中引进一个happens before的概念，它用于描述对内存操作的先后顺序问题。如果事件e1 happens before 事件 e2，我们说事件e2 happens after e1。如果，事件e1 does not happen before 事件 e2，并且 does not happen after e2，我们说事件e1和e2同时发生。

对于一个单一的goroutine，happens before 的顺序和代码的顺序是一致的。

如果能满足以下的条件，一个对变量v的 “读事件r” 可以感知到另一个对变量v的 “写事件w” ：

1. “写事件w” happens before “读事件r” 。
2. 没有既满足 happens after w 同时满主 happens before r 的对变量v的写事件w。

为了保证读事件r可以感知对变量v的写事件，我们首先要确保w是变量v的唯一的写事件。同时还要满足以下条件：

1. “写事件w” happens before “读事件r”。
2. 其他对变量v的访问必须 happens before “写事件w” 或者 happens after “读事件r”。

第二组条件比第一组条件更加严格。因为，它要求在w和 r并行执行的程序中不能再有其他的读操作。

对于在单一的goroutine中两组条件是等价的，读事件可以确保感知到对变量的写事件。但是，对于在 两个goroutines共享变量v，我们必须通过同步事件来保证 happens-before 条件 （这是读事件感知写事件的必要条件）。

将变量v自动初始化为零也是属于这个内存操作模型。

读写超过一个机器字长度的数据，顺序也是不能保证的。

同步(Synchronization)

初始化

程序的初始化在一个独立的goroutine中执行。在初始化过程中创建的goroutine将在 第一个用于初始化goroutine执行完成后启动。

如果包p导入了包q，包q的init 初始化函数将在包p的初始化之前执行。

程序的入口函数 main.main 则是在所有的 init 函数执行完成之后启动。

在任意init函数中新创建的goroutines，将在所有的init 函数完成后执行。

Goroutine的创建

用于启动goroutine的go语句在goroutine之前运行。

例如，下面的程序：

var a string;

func f() {
        print(a);
}

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

调用hello函数，会在某个时刻打印“hello, world”（有可能是在hello函数返回之后）。

Channel communication 管道通信

用管道通信是两个goroutines之间同步的主要方法。通常的用法是不同的goroutines对同一个管道进行读写操作，一个goroutines写入到管道中，另一个goroutines从管道中读数据。

管道上的发送操作发生在管道的接收完成之前（happens before）。

例如这个程序：

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

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

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

可以确保会输出"hello, world"。因为，a的赋值发生在向管道 c发送数据之前，而管道的发送操作在管道接收完成之前发生。因此，在print 的时候，a已经被赋值。

从一个unbuffered管道接收数据在向管道发送数据完成之前发送。

下面的是示例程序：

var c = make(chan int)
var a string

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

同样可以确保输出“hello, world”。因为，a的赋值在从管道接收数据 前发生，而从管道接收数据操作在向unbuffered 管道发送完成之前发生。所以，在print 的时候，a已经被赋值。

如果用的是缓冲管道（如 c = make(chan int, 1) ），将不能保证输出 “hello, world”结果（可能会是空字符串，但肯定不会是他未知的字符串， 或导致程序崩溃）。

锁

包sync实现了两种类型的锁： sync.Mutex 和 sync.RWMutex。

对于任意 sync.Mutex 或 sync.RWMutex 变量l。 如果 n < m ，那么第n次 l.Unlock() 调用在第 m次 l.Lock()调用返回前发生。

例如程序：

var l sync.Mutex
var a string

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

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

可以确保输出“hello, world”结果。因为，第一次 l.Unlock() 调用（在f函数中）在第二次 l.Lock() 调用（在main 函数中）返回之前发生，也就是在 print 函数调用之前发生。

For any call to l.RLock on a sync.RWMutex variable l, there is an n such that the l.RLock happens (returns) after the n'th call to l.Unlock and the matching l.RUnlock happens before the n+1'th call to l.Lock.

Once

包once提供了一个在多个goroutines中进行初始化的方法。多个goroutines可以 通过 once.Do(f) 方式调用f函数。但是，f函数 只会被执行一次，其他的调用将被阻塞直到唯一执行的f()返回。once.Do(f) 中唯一执行的f()发生在所有的 once.Do(f) 返回之前。

有代码：

var a string

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

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

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

调用twoprint会输出“hello, world”两次。第一次twoprint 函数会运行setup唯一一次。

错误的同步方式

注意：变量读操作虽然可以侦测到变量的写操作，但是并不能保证对变量的读操作就一定发生在写操作之后。

例如：

var a, b int

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

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

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

函数g可能输出2，也可能输出0。

这种情形使得我们必须回避一些看似合理的用法。

这里用Double-checked locking的方法来代替同步。在例子中，twoprint函数可能得到错误的值：

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();
}

在doprint函数中，写done暗示已经给a赋值了，但是没有办法给出保证这一点，所以函数可能输出空的值。

另一个错误陷阱是忙等待：

var a string
var done bool

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

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

我们没有办法保证在main中看到了done值被修改的同时也 能看到a被修改，因此程序可能输出空字符串。更坏的结果是，main 函数可能永远不知道done被修改，因为在两个线程之间没有同步操作，这样main 函数永远不能返回。

下面的用法本质上也是同样的问题.

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观察到了 g != nil 条件并且退出了循环，但是任何然 不能保证它看到了g.msg的初始化之后的结果。

在这些例子中，只有一种解决方法：用显示的同步。