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Go语言核心36讲(Go语言实战与应用十三)–学习笔记

开发技术 开发技术 4小时前 1次浏览

35 | 并发安全字典sync.Map (下)

我们在上一篇文章中谈到了,由于并发安全字典提供的方法涉及的键和值的类型都是interface{},所以我们在调用这些方法的时候,往往还需要对键和值的实际类型进行检查。

这里大致有两个方案。我们上一篇文章中提到了第一种方案,在编码时就完全确定键和值的类型,然后利用 Go 语言的编译器帮我们做检查。

这样做很方便,不是吗?不过,虽然方便,但是却让这样的字典类型缺少了一些灵活性。

如果我们还需要一个键类型为uint32并发安全字典的话,那就不得不再如法炮制地写一遍代码了。因此,在需求多样化之后,工作量反而更大,甚至会产生很多雷同的代码。

知识扩展

问题 1:怎样保证并发安全字典中的键和值的类型正确性?(方案二)

那么,如果我们既想保持sync.Map类型原有的灵活性,又想约束键和值的类型,那么应该怎样做呢?这就涉及了第二个方案。

在第二种方案中,我们封装的结构体类型的所有方法,都可以与sync.Map类型的方法完全一致(包括方法名称和方法签名)。

不过,在这些方法中,我们就需要添加一些做类型检查的代码了。另外,这样并发安全字典的键类型和值类型,必须在初始化的时候就完全确定。并且,这种情况下,我们必须先要保证键的类型是可比较的。

所以在设计这样的结构体类型的时候,只包含sync.Map类型的字段就不够了。

比如:

type ConcurrentMap struct {
 m         sync.Map
 keyType   reflect.Type
 valueType reflect.Type
}

这里ConcurrentMap类型代表的是:可自定义键类型和值类型的并发安全字典。这个类型同样有一个sync.Map类型的字段m,代表着其内部使用的并发安全字典。

另外,它的字段keyType和valueType,分别用于保存键类型和值类型。这两个字段的类型都是reflect.Type,我们可称之为反射类型。

这个类型可以代表 Go 语言的任何数据类型。并且,这个类型的值也非常容易获得:通过调用reflect.TypeOf函数并把某个样本值传入即可。

调用表达式reflect.TypeOf(int(123))的结果值,就代表了int类型的反射类型值。

我们现在来看一看ConcurrentMap类型方法应该怎么写。

先说Load方法,这个方法接受一个interface{}类型的参数key,参数key代表了某个键的值。

因此,当我们根据 ConcurrentMap 在m字段的值中查找键值对的时候,就必须保证 ConcurrentMap 的类型是正确的。由于反射类型值之间可以直接使用操作符==或!=进行判等,所以这里的类型检查代码非常简单。

func (cMap *ConcurrentMap) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) {
 if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType {
  return
 }
 return cMap.m.Load(key)
}

我们把一个接口类型值传入reflect.TypeOf函数,就可以得到与这个值的实际类型对应的反射类型值。

因此,如果参数值的反射类型与keyType字段代表的反射类型不相等,那么我们就忽略后续操作,并直接返回。

这时,Load方法的第一个结果value的值为nil,而第二个结果ok的值为false。这完全符合Load方法原本的含义。

再来说Store方法。Store方法接受两个参数key和value,它们的类型也都是interface{}。因此,我们的类型检查应该针对它们来做。

func (cMap *ConcurrentMap) Store(key, value interface{}) {
 if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType {
  panic(fmt.Errorf("wrong key type: %v", reflect.TypeOf(key)))
 }
 if reflect.TypeOf(value) != cMap.valueType {
  panic(fmt.Errorf("wrong value type: %v", reflect.TypeOf(value)))
 }
 cMap.m.Store(key, value)
}

这里的类型检查代码与Load方法中的代码很类似,不同的是对检查结果的处理措施。当参数key或value的实际类型不符合要求时,Store方法会立即引发 panic。

这主要是由于Store方法没有结果声明,所以在参数值有问题的时候,它无法通过比较平和的方式告知调用方。不过,这也是符合Store方法的原本含义的。

如果你不想这么做,也是可以的,那么就需要为Store方法添加一个error类型的结果。

并且,在发现参数值类型不正确的时候,让它直接返回相应的error类型值,而不是引发 panic。要知道,这里展示的只一个参考实现,你可以根据实际的应用场景去做优化和改进。

至于与ConcurrentMap类型相关的其他方法和函数,我在这里就不展示了。它们在类型检查方式和处理流程上并没有特别之处。你可以在 demo72.go 文件中看到这些代码。

稍微总结一下。第一种方案适用于我们可以完全确定键和值具体类型的情况。在这种情况下,我们可以利用 Go 语言编译器去做类型检查,并用类型断言表达式作为辅助,就像IntStrMap那样。

在第二种方案中,我们无需在程序运行之前就明确键和值的类型,只要在初始化并发安全字典的时候,动态地给定它们就可以了。这里主要需要用到reflect包中的函数和数据类型,外加一些简单的判等操作。

第一种方案存在一个很明显的缺陷,那就是无法灵活地改变字典的键和值的类型。一旦需求出现多样化,编码的工作量就会随之而来。

第二种方案很好地弥补了这一缺陷,但是,那些反射操作或多或少都会降低程序的性能。我们往往需要根据实际的应用场景,通过严谨且一致的测试,来获得和比较程序的各项指标,并以此作为方案选择的重要依据之一。

问题 2:并发安全字典如何做到尽量避免使用锁?

sync.Map类型在内部使用了大量的原子操作来存取键和值,并使用了两个原生的map作为存储介质。

其中一个原生map被存在了sync.Map的read字段中,该字段是sync/atomic.Value类型的。 这个原生字典可以被看作一个快照,它总会在条件满足时,去重新保存所属的sync.Map值中包含的所有键值对。

为了描述方便,我们在后面简称它为只读字典。不过,只读字典虽然不会增减其中的键,但却允许变更其中的键所对应的值。所以,它并不是传统意义上的快照,它的只读特性只是对于其中键的集合而言的。

由read字段的类型可知,sync.Map在替换只读字典的时候根本用不着锁。另外,这个只读字典在存储键值对的时候,还在值之上封装了一层。

它先把值转换为了unsafe.Pointer类型的值,然后再把后者封装,并储存在其中的原生字典中。如此一来,在变更某个键所对应的值的时候,就也可以使用原子操作了。

sync.Map中的另一个原生字典由它的dirty字段代表。 它存储键值对的方式与read字段中的原生字典一致,它的键类型也是interface{},并且同样是把值先做转换和封装后再进行储存的。我们暂且把它称为脏字典。

注意,脏字典和只读字典如果都存有同一个键值对,那么这里的两个键指的肯定是同一个基本值,对于两个值来说也是如此。

正如前文所述,这两个字典在存储键和值的时候都只会存入它们的某个指针,而不是基本值。

sync.Map在查找指定的键所对应的值的时候,总会先去只读字典中寻找,并不需要锁定互斥锁。只有当确定“只读字典中没有,但脏字典中可能会有这个键”的时候,它才会在锁的保护下去访问脏字典。

相对应的,sync.Map在存储键值对的时候,只要只读字典中已存有这个键,并且该键值对未被标记为“已删除”,就会把新值存到里面并直接返回,这种情况下也不需要用到锁。

否则,它才会在锁的保护下把键值对存储到脏字典中。这个时候,该键值对的“已删除”标记会被抹去。

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sync.Map 中的 read 与 dirty

顺便说一句,只有当一个键值对应该被删除,但却仍然存在于只读字典中的时候,才会被用标记为“已删除”的方式进行逻辑删除,而不会直接被物理删除。

这种情况会在重建脏字典以后的一段时间内出现。不过,过不了多久,它们就会被真正删除掉。在查找遍历键值对的时候,已被逻辑删除的键值对永远会被无视。

对于删除键值对,sync.Map会先去检查只读字典中是否有对应的键。如果没有,脏字典中可能有,那么它就会在锁的保护下,试图从脏字典中删掉该键值对。

最后,sync.Map会把该键值对中指向值的那个指针置为nil,这是另一种逻辑删除的方式。

除此之外,还有一个细节需要注意,只读字典和脏字典之间是会互相转换的。在脏字典中查找键值对次数足够多的时候,sync.Map会把脏字典直接作为只读字典,保存在它的read字段中,然后把代表脏字典的dirty字段的值置为nil。

在这之后,一旦再有新的键值对存入,它就会依据只读字典去重建脏字典。这个时候,它会把只读字典中已被逻辑删除的键值对过滤掉。理所当然,这些转换操作肯定都需要在锁的保护下进行。

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sync.Map 中 read 与 dirty 的互换

综上所述,sync.Map的只读字典和脏字典中的键值对集合,并不是实时同步的,它们在某些时间段内可能会有不同。

由于只读字典中键的集合不能被改变,所以其中的键值对有时候可能是不全的。相反,脏字典中的键值对集合总是完全的,并且其中不会包含已被逻辑删除的键值对。

因此,可以看出,在读操作有很多但写操作却很少的情况下,并发安全字典的性能往往会更好。在几个写操作当中,新增键值对的操作对并发安全字典的性能影响是最大的,其次是删除操作,最后才是修改操作。

如果被操作的键值对已经存在于sync.Map的只读字典中,并且没有被逻辑删除,那么修改它并不会使用到锁,对其性能的影响就会很小。

总结

这两篇文章中,我们讨论了sync.Map类型,并谈到了怎样保证并发安全字典中的键和值的类型正确性。

为了进一步明确并发安全字典中键值的实际类型,这里大致有两种方案可选。

  • 其中一种方案是,在编码时就完全确定键和值的类型,然后利用 Go 语言的编译器帮我们做检查。
  • 另一种方案是,接受动态的类型设置,并在程序运行的时候通过反射操作进行检查。

这两种方案各有利弊,前一种方案在扩展性方面有所欠缺,而后一种方案通常会影响到程序的性能。在实际使用的时候,我们一般都需要通过客观的测试来帮助决策。

另外,在有些时候,与单纯使用原生字典和互斥锁的方案相比,使用sync.Map可以显著地减少锁的争用。sync.Map本身确实也用到了锁,但是,它会尽可能地避免使用锁。

可能地避免使用锁。这就要说到sync.Map对其持有两个原生字典的巧妙使用了。这两个原生字典一个被称为只读字典,另一个被称为脏字典。通过对它们的分析,我们知道了并发安全字典的适用场景,以及每种操作对其性能的影响程度。

思考题

今天的思考题是:关于保证并发安全字典中的键和值的类型正确性,你还能想到其他的方案吗?

package main

import (
	"errors"
	"fmt"
	"reflect"
	"sync"
)

// IntStrMap 代表键类型为int、值类型为string的并发安全字典。
type IntStrMap struct {
	m sync.Map
}

func (iMap *IntStrMap) Delete(key int) {
	iMap.m.Delete(key)
}

func (iMap *IntStrMap) Load(key int) (value string, ok bool) {
	v, ok := iMap.m.Load(key)
	if v != nil {
		value = v.(string)
	}
	return
}

func (iMap *IntStrMap) LoadOrStore(key int, value string) (actual string, loaded bool) {
	a, loaded := iMap.m.LoadOrStore(key, value)
	actual = a.(string)
	return
}

func (iMap *IntStrMap) Range(f func(key int, value string) bool) {
	f1 := func(key, value interface{}) bool {
		return f(key.(int), value.(string))
	}
	iMap.m.Range(f1)
}

func (iMap *IntStrMap) Store(key int, value string) {
	iMap.m.Store(key, value)
}

// ConcurrentMap 代表可自定义键类型和值类型的并发安全字典。
type ConcurrentMap struct {
	m         sync.Map
	keyType   reflect.Type
	valueType reflect.Type
}

func NewConcurrentMap(keyType, valueType reflect.Type) (*ConcurrentMap, error) {
	if keyType == nil {
		return nil, errors.New("nil key type")
	}
	if !keyType.Comparable() {
		return nil, fmt.Errorf("incomparable key type: %s", keyType)
	}
	if valueType == nil {
		return nil, errors.New("nil value type")
	}
	cMap := &ConcurrentMap{
		keyType:   keyType,
		valueType: valueType,
	}
	return cMap, nil
}

func (cMap *ConcurrentMap) Delete(key interface{}) {
	if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType {
		return
	}
	cMap.m.Delete(key)
}

func (cMap *ConcurrentMap) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) {
	if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType {
		return
	}
	return cMap.m.Load(key)
}

func (cMap *ConcurrentMap) LoadOrStore(key, value interface{}) (actual interface{}, loaded bool) {
	if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType {
		panic(fmt.Errorf("wrong key type: %v", reflect.TypeOf(key)))
	}
	if reflect.TypeOf(value) != cMap.valueType {
		panic(fmt.Errorf("wrong value type: %v", reflect.TypeOf(value)))
	}
	actual, loaded = cMap.m.LoadOrStore(key, value)
	return
}

func (cMap *ConcurrentMap) Range(f func(key, value interface{}) bool) {
	cMap.m.Range(f)
}

func (cMap *ConcurrentMap) Store(key, value interface{}) {
	if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType {
		panic(fmt.Errorf("wrong key type: %v", reflect.TypeOf(key)))
	}
	if reflect.TypeOf(value) != cMap.valueType {
		panic(fmt.Errorf("wrong value type: %v", reflect.TypeOf(value)))
	}
	cMap.m.Store(key, value)
}

// pairs 代表测试用的键值对列表。
var pairs = []struct {
	k int
	v string
}{
	{k: 1, v: "a"},
	{k: 2, v: "b"},
	{k: 3, v: "c"},
	{k: 4, v: "d"},
}

func main() {
	// 示例1。
	var sMap sync.Map
	//sMap.Store([]int{1, 2, 3}, 4) // 这行代码会引发panic。
	_ = sMap

	// 示例2。
	{
		var iMap IntStrMap
		iMap.Store(pairs[0].k, pairs[0].v)
		iMap.Store(pairs[1].k, pairs[1].v)
		iMap.Store(pairs[2].k, pairs[2].v)
		fmt.Println("[Three pairs have been stored in the IntStrMap instance]")

		iMap.Range(func(key int, value string) bool {
			fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %d, %sn",
				key, value)
			return true
		})

		k0 := pairs[0].k
		v0, ok := iMap.Load(k0)
		fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)n",
			v0, ok, k0)

		k3 := pairs[3].k
		v3, ok := iMap.Load(k3)
		fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)n",
			v3, ok, k3)

		k2, v2 := pairs[2].k, pairs[2].v
		actual2, loaded2 := iMap.LoadOrStore(k2, v2)
		fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)n",
			actual2, loaded2, k2, v2)
		v3 = pairs[3].v
		actual3, loaded3 := iMap.LoadOrStore(k3, v3)
		fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)n",
			actual3, loaded3, k3, v3)

		k1 := pairs[1].k
		iMap.Delete(k1)
		fmt.Printf("[The pair with the key of %v has been removed from the IntStrMap instance]n",
			k1)
		v1, ok := iMap.Load(k1)
		fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)n",
			v1, ok, k1)
		v1 = pairs[1].v
		actual1, loaded1 := iMap.LoadOrStore(k1, v1)
		fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)n",
			actual1, loaded1, k1, v1)

		iMap.Range(func(key int, value string) bool {
			fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %d, %sn",
				key, value)
			return true
		})
	}
	fmt.Println()

	// 示例2。
	{
		cMap, err := NewConcurrentMap(
			reflect.TypeOf(pairs[0].k), reflect.TypeOf(pairs[0].v))
		if err != nil {
			fmt.Printf("fatal error: %s", err)
			return
		}
		cMap.Store(pairs[0].k, pairs[0].v)
		cMap.Store(pairs[1].k, pairs[1].v)
		cMap.Store(pairs[2].k, pairs[2].v)
		fmt.Println("[Three pairs have been stored in the ConcurrentMap instance]")

		cMap.Range(func(key, value interface{}) bool {
			fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %d, %sn",
				key, value)
			return true
		})

		k0 := pairs[0].k
		v0, ok := cMap.Load(k0)
		fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)n",
			v0, ok, k0)

		k3 := pairs[3].k
		v3, ok := cMap.Load(k3)
		fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)n",
			v3, ok, k3)

		k2, v2 := pairs[2].k, pairs[2].v
		actual2, loaded2 := cMap.LoadOrStore(k2, v2)
		fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)n",
			actual2, loaded2, k2, v2)
		v3 = pairs[3].v
		actual3, loaded3 := cMap.LoadOrStore(k3, v3)
		fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)n",
			actual3, loaded3, k3, v3)

		k1 := pairs[1].k
		cMap.Delete(k1)
		fmt.Printf("[The pair with the key of %v has been removed from the ConcurrentMap instance]n",
			k1)
		v1, ok := cMap.Load(k1)
		fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)n",
			v1, ok, k1)
		v1 = pairs[1].v
		actual1, loaded1 := cMap.LoadOrStore(k1, v1)
		fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)n",
			actual1, loaded1, k1, v1)

		cMap.Range(func(key, value interface{}) bool {
			fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %d, %sn",
				key, value)
			return true
		})
	}
}

笔记源码

https://github.com/MingsonZheng/go-core-demo

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