GO语言临界资源安全问题的深入理解

  • Z时代
  • 2024-01-10
  • 分类：IT

一、临界资源

临界资源: 指并发环境中多个进程/线程/协程共享的资源。

但是在并发编程中对临界资源的处理不当， 往往会导致数据不一致的问题。

示例代码：

package main
​
import (
    "fmt"
    "time"
)
​
func main()  {
    a := 1
    go func() {
        a = 2
        fmt.Println("子goroutine。。",a)
    }()
    a = 3
    time.Sleep(1)
    fmt.Println("main goroutine。。",a)
}

我们通过终端命令来执行：

能够发现一处被多个goroutine共享的数据。

二、临界资源安全问题

并发本身并不复杂，但是因为有了资源竞争的问题，就使得我们开发出好的并发程序变得复杂起来，因为会引起很多莫名其妙的问题。

如果多个goroutine在访问同一个数据资源的时候，其中一个线程修改了数据，那么这个数值就被修改了，对于其他的goroutine来讲，这个数值可能是不对的。

举个例子，我们通过并发来实现火车站售票这个程序。一共有100张票，4个售票口同时出售。

我们先来看一下示例代码：

package main
​
import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "time"
)
​
//全局变量
var ticket = 10 // 100张票
​
func main() {
    /*
    4个goroutine，模拟4个售票口，4个子程序操作同一个共享数据。
     */
    go saleTickets("售票口1") // g1,100
    go saleTickets("售票口2") // g2,100
    go saleTickets("售票口3") //g3,100
    go saleTickets("售票口4") //g4,100
​
    time.Sleep(5*time.Second)
}
​
func saleTickets(name string) {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    //for i:=1;i<=100;i++{
    //  fmt.Println(name,"售出：",i)
    //}
    for { //ticket=1
        if ticket > 0 { //g1,g3,g2,g4
            //睡眠
            time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(1000)) * time.Millisecond)
            // g1 ,g3, g2,g4
            fmt.Println(name, "售出：", ticket)  // 1 , 0, -1 , -2
            ticket--   //0 , -1 ,-2 , -3
        } else {
            fmt.Println(name,"售罄，没有票了。。")
            break
        }
    }
}
​

我们为了更好的观察临界资源问题，每个goroutine先睡眠一个随机数，然后再售票，我们发现程序的运行结果，还可以卖出编号为负数的票。

分析：

我们的卖票逻辑是先判断票数的编号是否为负数，如果大于0，然后我们就进行卖票，只不过在卖票钱先睡眠，然后再卖，假如说此时已经卖票到只剩最后1张了，某一个goroutine持有了CPU的时间片，那么它再片段是否有票的时候，条件是成立的，所以它可以卖票编号为1的最后一张票。但是因为它在卖之前，先睡眠了，那么其他的goroutine就会持有CPU的时间片，而此时这张票还没有被卖出，那么第二个goroutine再判断是否有票的时候，条件也是成立的，那么它可以卖出这张票，然而它也进入了睡眠。。其他的第三个第四个goroutine都是这样的逻辑，当某个goroutine醒来的时候，不会再判断是否有票，而是直接售出，这样就卖出最后一张票了，然而其他的goroutine醒来的时候，就会陆续卖出了第0张，-1张，-2张。

这就是临界资源的不安全问题。某一个goroutine在访问某个数据资源的时候，按照数值，已经判断好了条件，然后又被其他的goroutine抢占了资源，并修改了数值，等这个goroutine再继续访问这个数据的时候，数值已经不对了。

三、临界资源安全问题的解决

要想解决临界资源安全的问题，很多编程语言的解决方案都是同步。通过上锁的方式，某一时间段，只能允许一个goroutine来访问这个共享数据，当前goroutine访问完毕，解锁后，其他的goroutine才能来访问。

我们可以借助于sync包下的锁操作。

示例代码：

package main
​
import (
    "fmt"
    "math/rand"
    "time"
    "sync"
)
​
//全局变量
var ticket = 10 // 100张票
​
var wg sync.WaitGroup
var matex sync.Mutex // 创建锁头
​
func main() {
    /*
    4个goroutine，模拟4个售票口，4个子程序操作同一个共享数据。
     */
    wg.Add(4)
    go saleTickets("售票口1") // g1,100
    go saleTickets("售票口2") // g2,100
    go saleTickets("售票口3") //g3,100
    go saleTickets("售票口4") //g4,100
    wg.Wait()              // main要等待。。。
​
    //time.Sleep(5*time.Second)
}
​
func saleTickets(name string) {
    rand.Seed(time.Now().UnixNano())
    defer wg.Done()
    //for i:=1;i<=100;i++{
    //  fmt.Println(name,"售出：",i)
    //}
    for { //ticket=1
        matex.Lock()
        if ticket > 0 { //g1,g3,g2,g4
            //睡眠
            time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(1000)) * time.Millisecond)
            // g1 ,g3, g2,g4
            fmt.Println(name, "售出：", ticket) // 1 , 0, -1 , -2
            ticket--                         //0 , -1 ,-2 , -3
        } else {
            matex.Unlock() //解锁
            fmt.Println(name, "售罄，没有票了。。")
            break
        }
        matex.Unlock() //解锁
    }
}
​

运行结果：

四、写在最后

在Go的并发编程中有一句很经典的话：不要以共享内存的方式去通信，而要以通信的方式去共享内存。

在Go语言中并不鼓励用锁保护共享状态的方式在不同的Goroutine中分享信息(以共享内存的方式去通信)。而是鼓励通过channel将共享状态或共享状态的变化在各个Goroutine之间传递（以通信的方式去共享内存），这样同样能像用锁一样保证在同一的时间只有一个Goroutine访问共享状态。

当然，在主流的编程语言中为了保证多线程之间共享数据安全性和一致性，都会提供一套基本的同步工具集，如锁，条件变量，原子操作等等。Go语言标准库也毫不意外的提供了这些同步机制，使用方式也和其他语言也差不多。

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