引言

在日常工作中，如果我們能夠了解 Go 語言內(nèi)存模型，那會帶來非常大的作用。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 語言的 happens-before 原則這 1 個細(xì)節(jié)。

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 goroutine 中讀取一個變量時，可以保證觀察到不同 goroutine 中對同一變量的寫入所產(chǎn)生的值” 的條件。

這是學(xué)習(xí)后續(xù)知識的一個大前提。

happens-before 是什么

Happens Before 是一個專業(yè)術(shù)語，與 Go 語言沒有直接關(guān)系，也就是并非是特有的。用大白話來講，其定義是：

在一個多線程程序中，假設(shè)存在 A 和 B 兩個操作，如果 A 操作在 B 操作之前發(fā)生（A happens-before B），那么 A 操作對內(nèi)存的影響將會對執(zhí)行 B 的線程可見。

A 不一定 happens-before B

從 happens-before 定義來看，我們可以反過來想。那就是：

在同一個（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 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) 一定會在 (2) 前執(zhí)行，對嗎？

答案是：錯誤的，因為 A happens-before B 并不意味著 A 操作一定會在 B 操作之前發(fā)生。

實際上在編譯器中，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。

通過上述分析，我們可以得知。在代碼行 (1) 在 (2) 之前，但確實 (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)計原則，畢竟這可是同個線程里的操作，Go 編譯器有 BUG？

其實不然，因為對 A 的賦值實質(zhì)上對 B 的賦值沒有影響。所以并沒有違反 happens-before 的設(shè)計原則。

Go 語言中的 happens-before

在 《The Go Memory Model》 中，給出了 Go 語言中 Happens Before 的明確語言定義。

以下術(shù)語將會在介紹中用到：

• 變量 v：一個指代性的變量，用于示例演示。
• 讀 r：代表讀操作。
• 寫 w：代表寫操作。

定義

在滿足如下兩點(diǎn)條件下，允許對變量 v 的讀 r 觀察對 v 的寫 w：

• r 在 w 之前沒有發(fā)生。
• 沒有其他寫到 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 v 的特定寫 w，確保 w 是唯一允許 r 觀察的寫。

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。
• 對共享變量 v 的任何其他寫入都發(fā)生在 w 之前或 r 之后。

這看起來比較生澀，接下來我們以《The Go Memory Model》 中具體的 channel 例子來進(jìn)行進(jìn)一步說明，會更好理解一些。

Go Channel 實例

在 Go 語言中提倡不要通過共享內(nèi)存來進(jìn)行通訊；相反，應(yīng)當(dāng)通過通訊來共享內(nèi)存：

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

因此在 Go 工程中，Channel 是一個非常常用的語法。在原則上其需要遵守：

• 一個 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，因為通道被關(guān)閉而返回一個零值。
• 一個無緩沖 channel 的接收發(fā)生在該 channel 的發(fā)送完成之前。
• 一個容量為 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"???(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” 的，原因如下：

• (1) happens-before (2) 。
• (4) happens-after (3)。

當(dāng)然，最后 (1) 寫入變量 a 的操作，必然 happens-before 于 (4) print 方法，因此正確的輸出了 “炸煎魚”。

能夠滿足 “一個 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，因為通道被關(guān)閉而返回一個零值”。

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 “煎魚進(jìn)腦子了” 的，原因如下：

• (2) happens-before (3)。
• (1) happens-before (4)。

能夠滿足 “一個無緩沖 channel 的接收發(fā)生在該 channel 的發(fā)送完成之前”。

如果我們把無緩沖改為make(chan int, 1)，也就是帶緩沖的 channel，則無法保證正常的輸出 “煎魚進(jìn)腦子了”。

例子 4

Go channel 例子 4，這個程序為工作列表中的每個條目啟動一個 goroutine，但 goroutine 使用 channel 進(jìn)行協(xié)調(diào)，以確保每次最多只有三個工作函數(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 happens-before 原則進(jìn)行了基本的說明。同時結(jié)合 Go 語言中實際的 happens-before 和 happens-after 的場景進(jìn)了展示和講解。

實際上，在日常的開發(fā)工作中，happens-before 原則基本已經(jīng)深入到潛意識中，就跟設(shè)計模式一樣。會不知覺就應(yīng)用到，但是若我們希望更進(jìn)一步的對 Go 語言等內(nèi)存模型就行研究和理解，就必須對這個基本理念有所認(rèn)知。

參考

Golang內(nèi)存模型詳解(一)

Go內(nèi)存模型

以上就是Go語言開發(fā)必知的一個內(nèi)存模型細(xì)節(jié)的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Go語言內(nèi)存模型細(xì)節(jié)的資料請關(guān)注本站其它相關(guān)文章！

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