Golang开发中如何解决共享变量问题

目录
  • 1、什么是竞态
  • 2、如何消除竞态
  • 3、Go 提供的并发工具
    • 3.1 互斥锁
    • 3.2 读写互斥锁
    • 3.3 Once
    • 3.4 竞态检测器
  • 4、小结

Go 语言中 goroutine + channel 通过通信的方式来共享内存，从而实现并发编程。

但同时 Go 也提供了传统通过共享变量，也就是共享内存的方式来实现并发。这篇文章会介绍 Go提供的相关机制。

1、什么是竞态

在一个 Go 程序运行起来之后，会有很多的 goroutine 同时运行，每个 goroutine 中代码的执行是顺序的，如果我们无法确定两个 goroutine 中代码的执行顺序。就可以说这两个 goroutine 是并发执行的。

如果一段代码无论是顺序执行还是并发执行，结果都是正确的，那就可以说这个代码是并发安全的。

并发不安全的代码出现的问题有多种，比如死锁、活锁、竞态等等。死锁和活锁都表示代码已经无法继续执行了，而竞态则表示代码是可以执行的，但是有可能会出现错误的结果。

有一个典型的例子就是向银行账户中存款：

var balance int
func Deposit(amount int) {
    balance = balance + amount
}
func Balance() int {
    return balance
}

如果程序正确，那么最后的输出应该是 20000，但多次运行，结果可能是 19700、19800、19900 或者其他的值。这个时候，我们就会说这个程序存在数据竞态。

这个问题的根本原因是 balance = balance + amount 这行代码在 CPU 上的执行操作不是原子的，有可能执行到一半的时候会被打断。

2、如何消除竞态

发生了竞态，就要想办法解决。总的来说，解决竞态有三种办法：

　　1、不要修改变量

　　如果一个变量不需要修改，在任何地方访问都是安全的，但这个方法却无法解决上面的问题。

　　2、不要多个 goroutine 中去访问同一个变量

　　goroutine + channel 就是这样的一个思路，通过 channel 阻塞来更新变量，这也符合 Go 代码的设计理念：不要通过共享内存来通信，而应该通过通信来共享内存。

　　3、同一时间只允许一个 goroutine 访问变量

　　如果在同一时间只能有一个 goroutine 访问变量，其他的 goruotine 需要等到当前的访问结束之后，才能访问，这样也可以消除竞态，下面将要说到的工具就是用来保证同一时间只能有一个 goroutine 来访问变量。

3、Go 提供的并发工具

在上面我们已经说到了解决竞态的三种办法，下面的这些工具就是 Go 中用来实现同一时间只能有一个 goroutine 访问变量。我们分别来看一下：

3.1 互斥锁

这个是解决竞态最经典的工具，它的原理就是如果要访问一个资源，那么就必须要拿到这个资源的锁，只有拿到锁才有资格访问资源，其他的 goroutine 想要访问，必须等到当前 goroutine 释放了锁，抢到锁之后再访问

在使用之前，需要先为资源申请一把锁，使用的就是 sync.Mutex，这是 Go 语言中互斥锁的实现：

var mu sync.Mutex
var balance int

每个拿到锁的 goroutine 都需要保证在对变量的访问结束之后，把锁释放掉，即使发生在异常情况，也需要释放，这里可以使用 defer 来保证最终会释放锁：

func Deposit(amount int) {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    balance = balance + amount
}

func Balance() int {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    return balance
}

把代码改完之后，再去运行上面存款的代码，无论运行多少遍，最终的结果都是 20000，到这里，我们竞态的问题就算是解决了，但是还有点小问题。

3.2 读写互斥锁

上面的互斥锁解决了访问数据的竞态问题，但是还有个小问题，就是读余额的操作有点低效，每次来读余额的时候，都还需要去抢锁，实际上，这个变量如果没有改变，即使同时被多个 goroutine 读，也不会产生并发安全的问题。

我们想要的一个理想的场景就是，如果这个变量没有在写入，就可以运行多个 goroutine 同时读，这样可以大大提高效率。

Go 也提供了这个工具，那就是读写锁。这个锁读与读是不互斥的，简单来说就是这个锁可以保证同时只能有一个 goroutine 在写入，如果有 goroutine 在写入，其他的 goroutine 既不能读，也不能写，但允许多个 goroutine 同时来读。

我们把上面的代码再改一下，只需要改一个地方：

var mu sync.RWMutex // 替换 sync.Mutex
var balance int

这样改完之后，上面存款的代码还是会一直输出 20000，但同时可以允许多个 goroutine 同时读余额。

大多数 Go 语言中的竞态问题都可以使用这两个工具来解决。

3.3 Once

Go 语言中还提供了这样的一个工具，可以保证代码只会执行一遍，多用于资源初始化等场景。使用的方式也很简单：

o := &sync.Once{}
for i := 0; i < 100; i++ {
    o.Do(func(){
        go func() {
            Deposit(100)
        }()

        go func() {
            Deposit(100)
        }()
    })
}
// 休眠一秒，让上面的 goroutine 执行完成
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println(Balance())

如果上面的代码使用 Once 来控制之后，都只会存一次，所以上面的代码会永远输出 200。

3.4 竞态检测器

很多处在竞态的错误很难发现，Go 语言中提供了一个工具，可以帮忙检查代码中是否存在竞态。使用起来很简单，只需要在以下命令之后加上 -race 参数就可以：

$ go run -race

$ go build -race

$ go test -race

加上这个参数之后，编译器会对代码在执行时对所有共享变量的访问，如果发现一个 goroutine 写入一个变量之后，没有任何同步的操作，就有另外一个 goroutine 读写了这个变量，那就说明这里存在竞态，就会报错。比如下面的代码：

data := 1

go func() {
    data = 2
}()

go func() {
    data = 3
}()

time.Sleep(2 * time.Second)

运行 go run -race main.go 之后，会报下面的错误：

Found 1 data race(s)
exit status 66

4、小结

Go 中也提供了传统语言所提供的并发编程机制，也可以通过共享内存的方法来实现并发编程。Go 提供的接口相对来说比较简洁，提供的能力却足够强大。

到此这篇关于Golang开发中如何解决共享变量问题的文章就介绍到这了,更多相关Golang共享变量内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们！

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