The Go Memory Model(go 内存模型)

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原文链接：http://maoqide.live/post/golang/the-go-memory-model/

[译]https://golang.google.cn/ref/mem

Go内存模型指定了一个条件，在该条件下，可以保证在一个 goroutine 中读取变量，能够获取到另一个不同 goroutine 写入同一变量产生的值。

Introduction

Go内存模型指定了一个条件，在该条件下，可以保证在一个 goroutine 中读取变量，能够获取到另一个不同 goroutine 写入同一变量产生的值。

Advice

如果一个程序要修改被多个 goroutine 同时访问的数据，必须序列化此类访问。

要序列化访问，请使用 channel 操作或其他同步原语（例如sync和sync/atomic包中的那些）来保护数据。

如果您必须阅读本文档的其余部分以了解程序的行为，那么您就太聪明了。

别聪明。

Happens Before

在单个 goroutine 中，读取和写入必须表现得好像它们按程序指定的顺序执行。也就是说，只有当重新排序不改变语言规范中定义的 goroutine 的行为时，编译器和处理器才可以对在单个 goroutine 中读取和写入操作的执行进行重新排序。由于这种重新排序，一个 goroutine 观察到的执行顺序可能与另一个 goroutine 感知到的顺序不同。例如，如果一个 goroutine 执行a = 1; b = 2;，另一个 goroutine 可能会在 a 的值更新之前观察到 b 的更新值。

为了指定读取和写入的要求，我们定义 发生之前(hanppen before)，Go 程序中内存操作的局部顺序。如果事件 e1 在事件 e2 发生之前(hanppen before)，那么我们说事件 e2 在事件 e1 发生之后(hanppen after)。另外，如果 e1 在 e2 之前没有发生并且在 e2 之后没有发生，那么我们说 e1 和 e2 同时发生。

在单个goroutine中，happens-before 顺序是程序表达的顺序。

如果以下两个都成立，则允许变量 v 的读取操作 r 观察到写入操作 w 写入到 v 的值：
1. r 没有发生在 w 之前。
2. 在 w 之后但在 r 之前没有其他写入操作 w'。

为了保证对变量 v 的读取操作 r 观察到特定写入操作 w 对 v 写入的值，确保 w 是允许读取操作 r 观察到的唯一的写入操作。也就是说，如果以下两个条件都成立，才能保证读取操作 r 能够观察到写入操作 w：
1. w 发生在 r 之前。
2. 任何其他对共享变量 v 的写入操作，要么发生在 w 之前，要么发生在 r 之后。

这组条件比第一组更加严格。它要求没有其他写入与 w 或 r 同时发生。

在单个goroutine中，没有并发，因此这两个定义是等效的：一个读取操作 r 观察最近的写入操作 w 写入 v 的值。

具有零值的 v 的类型的变量 v 的初始化表现为以上存储模型中的写入。

对于大于单个机器字的值的读取和写入操作，表现为以未指定顺序进行的多个 机器字大小的操作。

Synchronization

Initialization

程序的初始化在单个 goroutine 中运行，但该 goroutine 可能会创建其他并发运行的 goroutine。

如果包 p 导入包 q，则 q 的 init 函数在包 p 的任何代码开始之前完成。

函数 main.main 在所有的 init 函数完成后开始执行。

Goroutine creation

启动新 goroutine 的 go 语句发生在该 goroutine 开始执行之前。

例如，在此程序中：

var a string

func f() {
	print(a)
}

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

调用hello将在未来的某个时刻打印“hello，world”（也许在hello返回之后）。

Goroutine destruction

goroutine 的退出不保证在程序中的任何事件之前发生。例如，在此程序中：

var a string

func hello() {
	go func() { a = "hello" }()
	print(a)
}

对 a 的赋值没有伴随任何同步事件，因此不保证任何其他 goroutine 都能观察到它。事实上，一个激进的编译器可能会删掉整条 go 语句。

如果一个 goroutine 影响必须被另一个 goroutine 观察到，要使用锁或 channel 通信等同步机制来建立相对顺序。

Channel communication

channel 通信是 goroutine 之间同步的主要方法。特定 channel 上的每一个 send 操作都与该 channel 对应的 receive 操作相匹配，通常在不同的 goroutine 中。

channel 的 send 在该 channel 相应的 receive 操作完成之前发生

示例程序：

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

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

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

保证打印出 "hello, world"。对 a 的写入发生在 c 的 send 之前，即发生在 c 的相应的 receive 完成之前，即发生在print之前。

channel 的关闭发生在因通道已关闭而接收到零值返回之前

在前面的示例中，用 close(c)替换c <- 0会产生具有保证同样行为的程序。

无缓冲 channel 的 receive 操作在该 channel 的 send 操作完成之前发生。

示例程序(和上面一样，但是交换了 send 和 receive 语句并且使用了无缓冲的 channel)：

var c = make(chan int)
var a string

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

func main() {
	go f()
	c <- 0
	print(a)
}

同样保证打印出 "hello, world"。对 a 的写入发生在 c 的 receive 之前，即发生在 c 的相应的 send 完成之前，即发生在print之前。

如果 channel 是有缓冲的，（例如，c = make(chan int, 1)），那么程序将不能保证打印 "hello, world"。（可能会打印空字符串，崩溃或执行其他操作。）

具有容量C的 channel 的第 k 次 receive 操作，在第 k+C 次 send 操作完成之前。
此规则概括了先前的有缓冲的 channel 的规则。它允许用有缓冲的 channel 建立的计数信号量：channel 中的 data 数量对应于当前的使用数量，channel 的容量对应于允许最大同时使用的数量，发送一条 data 来获取信号量，接收一条 data 来释放信号量。这是限制并发数量的常用用法。

该程序为工作列表中的每个条目启动一个 goroutine，但是 goroutine 利用limit这个 channel 来确保一次最多有三个正在运行的work函数。

var limit = make(chan int, 3)

func main() {
	for _, w := range work {
		go func(w func()) {
			limit <- 1
			w()
			<-limit
		}(w)
	}
	select{}
}

Locks

sync包实现了两种锁的类型，sync.Mutex 和 sync.RWMutex。

对于任何sync.Mutex或sync.RWMutex类型的变量l，并且n < m，第n次调用l.Unock()在第m次调用l.Lock()返回之前发生。
示例程序：

var l sync.Mutex
var a string

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

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

保证打印出"hello, world"。第一次调用l.Unlock()（在f()中），在第二次调用l.Lock()（在main()中）返回之前发生，即在print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 call n to l.Unlock and the matching l.RUnlock happens before call n+1 to l.Lock.

对于sync.RWMutex类型的变量l的l.RLock()的任意调用，有一个 n 使得本次l.RLock()在第 n 次调用l.Unlock()之后发生（返回）并且对应的l.RUnlock()在第 n+1 调用l.Lock()之前发生。

Once

sync包通过使用Once类型，在存在多个 goroutine 的情况下提供了一种安全的初始化机制。多个线程可以对特定的 f 执行nce.Do(f)，但是只有一个线程会真正运行f()，并且其他调用会阻塞直到f()返回。

从once.Do(f) 中对f()的单次调用在任意once.Do(f)的调用之前发生（返回）。
在如下程序中：

var a string
var once sync.Once

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

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

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

调用twoprint()将只会调用setup()一次。setup 方法将在print之前完成。结果是"hello, world"将被打印两次。

Incorrect synchronization

注意，读取操作 r 可以观察到与r同时发生的写入操作 w 所写的值。即使发生这种情况，也不意味着在 r 之后发生的读取操作将观察到在 w 之前发生的写入操作。
如下程序中：

var a, b int

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

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

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

可能会发生 g 先打印 2 然后打印 0。

这使一些常见的管用语法无效。

双重检查锁 是为了避免同步的开销。
例如，twoprint程序可能被错误的写为：

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()
}

但是这不能保证，在doprint中，观察到done的写入操作意味着同样能观察到对a的写入操作。这个版本可能（错误地）打印空字符串而不是"hello，world"。

另一个不正确的惯用语法是忙着等待一个值，如：

var a string
var done bool

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

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

像之前一样，不能保证在main中，观察到done的写入操作意味着同样能观察到对a的写入操作，因此这个程序也可能打印出空的字符串。更糟的是，还无法保证main能观察到对done的写入操作，因为两个线程之间没有同步事件。main中的循环无法保证能完成。

这个主题有更微妙的变体，例如这个程序：

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g != nil并且退出循环，无法保证它会观察到g.msg的初始化值。

在所有这些示例中，解决方案是相同的：使用显式的同步。