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Go語言競態檢測——檢測代碼在并發環境下可能出現的問題

Go 程序可以使用通道進行多個 goroutine 間的數據交換,但這僅僅是數據同步中的一種方法。通道內部的實現依然使用了各種鎖,因此優雅代碼的代價是性能。在某些輕量級的場合,原子訪問(atomic包)、互斥鎖(sync.Mutex)以及等待組(sync.WaitGroup)能最大程度滿足需求。

本節只講解原子訪問,互斥鎖和等待組將在接下來的兩節中講解。

當多線程并發運行的程序競爭訪問和修改同一塊資源時,會發生競態問題。

下面的代碼中有一個 ID 生成器,每次調用生成器將會生成一個不會重復的順序序號,使用 10 個并發生成序號,觀察 10 個并發后的結果。

競態檢測的具體代碼:
package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

var (
    // 序列號
    seq int64
)

// 序列號生成器
func GenID() int64 {

// 嘗試原子的增加序列號
    atomic.AddInt64(&seq, 1)
    return seq
}

func main() {

    //生成10個并發序列號
    for i := 0; i < 10; i++ {
            go GenID()
    }

    fmt.Println(GenID())
}
代碼說明如下:
  • 第 10 行,序列號生成器中的保存上次序列號的變量。
  • 第 17 行,使用原子操作函數 atomic.AddInt64() 對 seq() 函數加 1 操作。不過這里故意沒有使用 atomic.AddInt64() 的返回值作為 GenID() 函數的返回值,因此會造成一個競態問題。
  • 第 25 行,循環 10 次生成 10 個 goroutine 調用 GenID() 函數,同時忽略 GenID() 的返回值。
  • 第 28 行,單獨調用一次 GenID() 函數。

在運行程序時,為運行參數加入-race參數,開啟運行時(runtime)對競態問題的分析,命令如下:

go run -race racedetect.go

代碼運行發生宕機,輸出信息如下:

==================
WARNING: DATA RACE
Write at 0x000000f52f40 by goroutine 7:
  sync/atomic.AddInt64()
      C:/Go/src/runtime/race_amd64.s:276 +0xb
  main.GenID()
      racedetect.go:17 +0x4a

Previous read at 0x000000f52f40 by goroutine 6:
  main.GenID()
      racedetect.go:18 +0x5a

Goroutine 7 (running) created at:
  main.main()
      racedetect.go:25 +0x5a

Goroutine 6 (finished) created at:
  main.main()
      racedetect.go:25 +0x5a
==================
10
Found 1 data race(s)
exit status 66

根據報錯信息,第 18 行有競態問題,根據 atomic.AddInt64() 的參數聲明,這個函數會將修改后的值以返回值方式傳出。下面代碼對加粗部分進行了修改:
func GenID() int64 {
    // 嘗試原子的增加序列號
    return atomic.AddInt64(&seq, 1)
}
再次運行:

go run -race main.go

代碼輸出如下:
10

沒有發生競態問題,程序運行正常。

本例中只是對變量進行增減操作,雖然可以使用互斥鎖(sync.Mutex)解決競態問題,但是對性能消耗較大。在這種情況下,推薦使用原子操作(atomic)進行變量操作。

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