深入理解Go语言内存模型-优快云博客

本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/gitblog_00406/article/details/148322937

深入理解Go语言内存模型

go The Go programming language 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/go/go

Go语言作为一门现代并发编程语言，其内存模型的设计对于理解并发程序行为至关重要。本文将全面解析Go语言内存模型的核心概念、规则和最佳实践。

内存模型概述

Go内存模型定义了在多goroutine环境下，对一个变量的写入操作在什么条件下能够被其他goroutine的读取操作观察到。简单来说，它规定了并发程序中内存访问的可见性和顺序性规则。

核心建议

在开始深入细节前，我们需要记住几个基本原则：

必须序列化访问：当多个goroutine同时访问和修改同一数据时，必须通过同步机制来序列化这些访问
使用标准同步原语：优先使用channel操作或sync/sync/atomic包中的同步原语
避免过度聪明：如果必须深入研究内存模型才能理解程序行为，说明设计可能过于复杂

数据竞争与顺序一致性

数据竞争定义

数据竞争发生在以下情况：

对一个内存位置的写入与另一个读/写操作并发执行
且这些操作中至少有一个是非原子操作

Go语言鼓励开发者使用同步机制避免数据竞争。在没有数据竞争的情况下，Go程序的行为就像所有goroutine在一个处理器上顺序执行一样，这一特性被称为DRF-SC（数据竞争自由-顺序一致性）。

Go对数据竞争的处理

与其他语言相比，Go对数据竞争的处理更加友好：

实现可以选择检测到数据竞争时报告并终止程序
对于单字或子字大小的内存位置，读取必须观察到实际写入的值
禁止观察到"凭空出现"的值

这使得Go程序在存在数据竞争时的行为比C/C++更可预测，同时仍然强调数据竞争是错误，应该被检测和修复。

内存模型的形式化定义

Go内存模型的形式化定义基于以下概念：

内存操作

每个内存操作包含四个要素：

操作类型：普通读写或同步操作（原子操作、互斥锁、channel操作等）
程序中的位置
被访问的内存位置/变量
读取或写入的值

执行模型

goroutine执行：单个goroutine内的一组内存操作，必须符合顺序执行语义
程序执行：一组goroutine执行加上一个映射W，指定每个读操作从哪个写操作获取值

关键关系

sequenced before：由Go语言规范定义的程序顺序关系
synchronized before：同步操作之间的偏序关系
happens before：sequenced before和synchronized before的传递闭包

数据竞争类型

读写竞争：对同一位置的读写操作没有happens before关系
写写竞争：对同一位置的两个写操作没有happens before关系

同步机制

Go提供了多种同步机制，每种都有特定的happens before保证：

初始化

包初始化顺序：被导入包的init函数完成先于导入包的init函数开始
所有init函数完成先于main.main开始

Goroutine生命周期

创建：go语句先于新goroutine的执行

var a string
func f() { print(a) }
func hello() {
    a = "hello, world"
    go f()  // 保证打印"hello, world"
}

销毁：goroutine退出不保证与任何事件同步

Channel通信

Channel是Go中最主要的同步机制：

基本规则：发送先于对应的接收完成
关闭channel：关闭操作先于接收到零值的读操作
无缓冲channel：接收先于对应的发送完成
缓冲channel：第k次接收先于第k+C次发送完成（C为容量）

锁

sync包提供了Mutex和RWMutex：

Mutex：第n次Unlock先于第m次Lock返回（n < m）

var l sync.Mutex
var a string
func f() {
    a = "hello, world"
    l.Unlock()
}
func main() {
    l.Lock()
    go f()
    l.Lock()  // 等待f中的Unlock
    print(a)  // 保证打印"hello, world"
}

RWMutex：读锁与写锁之间有类似的顺序保证

sync.Once

Once提供了一种安全的一次性初始化机制：

var a string
var once sync.Once

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

func doprint() {
    once.Do(setup)  // 只有一个goroutine会执行setup
    print(a)        // 保证打印"hello, world"
}