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Go语言核心36讲(Go语言实战与应用十二)–学习笔记

开发技术 开发技术 5分钟前 1次浏览

34 | 并发安全字典sync.Map (上)

我们今天再来讲一个并发安全的高级数据结构:sync.Map。众所周知,Go 语言自带的字典类型map并不是并发安全的。

前导知识:并发安全字典诞生史

换句话说,在同一时间段内,让不同 goroutine 中的代码,对同一个字典进行读写操作是不安全的。字典值本身可能会因这些操作而产生混乱,相关的程序也可能会因此发生不可预知的问题。

在sync.Map出现之前,我们如果要实现并发安全的字典,就只能自行构建。不过,这其实也不是什么麻烦事,使用 sync.Mutex或sync.RWMutex,再加上原生的map就可以轻松地做到。

GitHub 网站上已经有很多库提供了类似的数据结构。我在《Go 并发编程实战》的第 2 版中也提供了一个比较完整的并发安全字典的实现。它的性能比同类的数据结构还要好一些,因为它在很大程度上有效地避免了对锁的依赖。

尽管已经有了不少的参考实现,Go 语言爱好者们还是希望 Go 语言官方能够发布一个标准的并发安全字典。

经过大家多年的建议和吐槽,Go 语言官方终于在 2017 年发布的 Go 1.9 中,正式加入了并发安全的字典类型sync.Map。

这个字典类型提供了一些常用的键值存取操作方法,并保证了这些操作的并发安全。同时,它的存、取、删等操作都可以基本保证在常数时间内执行完毕。换句话说,它们的算法复杂度与map类型一样都是O(1)的。

在有些时候,与单纯使用原生map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本身虽然也用到了锁,但是,它其实在尽可能地避免使用锁。

我们都知道,使用锁就意味着要把一些并发的操作强制串行化。这往往会降低程序的性能,尤其是在计算机拥有多个 CPU 核心的情况下。

因此,我们常说,能用原子操作就不要用锁,不过这很有局限性,毕竟原子只能对一些基本的数据类型提供支持。

无论在何种场景下使用sync.Map,我们都需要注意,与原生map明显不同,它只是 Go 语言标准库中的一员,而不是语言层面的东西。也正因为这一点,Go 语言的编译器并不会对它的键和值,进行特殊的类型检查。

如果你看过sync.Map的文档或者实际使用过它,那么就一定会知道,它所有的方法涉及的键和值的类型都是interface{},也就是空接口,这意味着可以包罗万象。所以,我们必须在程序中自行保证它的键类型和值类型的正确性。

好了,现在第一个问题来了。今天的问题是:并发安全字典对键的类型有要求吗?

这道题的典型回答是:有要求。键的实际类型不能是函数类型、字典类型和切片类型。

解析一下这个问题。 我们都知道,Go 语言的原生字典的键类型不能是函数类型、字典类型和切片类型。

由于并发安全字典内部使用的存储介质正是原生字典,又因为它使用的原生字典键类型也是可以包罗万象的interface{};所以,我们绝对不能带着任何实际类型为函数类型、字典类型或切片类型的键值去操作并发安全字典。

由于这些键值的实际类型只有在程序运行期间才能够确定,所以 Go 语言编译器是无法在编译期对它们进行检查的,不正确的键值实际类型肯定会引发 panic。

因此,我们在这里首先要做的一件事就是:一定不要违反上述规则。我们应该在每次操作并发安全字典的时候,都去显式地检查键值的实际类型。无论是存、取还是删,都应该如此。

当然,更好的做法是,把针对同一个并发安全字典的这几种操作都集中起来,然后统一地编写检查代码。除此之外,把并发安全字典封装在一个结构体类型中,往往是一个很好的选择。

总之,我们必须保证键的类型是可比较的(或者说可判等的)。如果你实在拿不准,那么可以先通过调用reflect.TypeOf函数得到一个键值对应的反射类型值(即:reflect.Type类型的值),然后再调用这个值的Comparable方法,得到确切的判断结果。

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?(方案一)

简单地说,可以使用类型断言表达式或者反射操作来保证它们的类型正确性。

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。

第一种方案是,让并发安全字典只能存储某个特定类型的键。

比如,指定这里的键只能是int类型的,或者只能是字符串,又或是某类结构体。一旦完全确定了键的类型,你就可以在进行存、取、删操作的时候,使用类型断言表达式去对键的类型做检查了。

一般情况下,这种检查并不繁琐。而且,你要是把并发安全字典封装在一个结构体类型里面,那就更加方便了。你这时完全可以让 Go 语言编译器帮助你做类型检查。请看下面的代码:

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)
}

如上所示,我编写了一个名为IntStrMap的结构体类型,它代表了键类型为int、值类型为string的并发安全字典。在这个结构体类型中,只有一个sync.Map类型的字段m。并且,这个类型拥有的所有方法,都与sync.Map类型的方法非常类似。

两者对应的方法名称完全一致,方法签名也非常相似,只不过,与键和值相关的那些参数和结果的类型不同而已。在IntStrMap类型的方法签名中,明确了键的类型为int,且值的类型为string。

显然,这些方法在接受键和值的时候,就不用再做类型检查了。另外,这些方法在从m中取出键和值的时候,完全不用担心它们的类型会不正确,因为它的正确性在当初存入的时候,就已经由 Go 语言编译器保证了。

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的具体类型的情况。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。

总结

我们今天讨论的是sync.Map类型,它是一种并发安全的字典。它提供了一些常用的键、值存取操作方法,并保证了这些操作的并发安全。同时,它还保证了存、取、删等操作的常数级执行时间。

与原生的字典相同,并发安全字典对键的类型也是有要求的。它们同样不能是函数类型、字典类型和切片类型。

另外,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。我们今天主要提到了第一种方案,这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。

在下一次的文章中,我们会提到另外一种方案,并对比这两种方案的优劣。除此之外,我会继续探讨并发安全字典的相关问题。

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

// ConcurrentMap 代表自制的简易并发安全字典。
type ConcurrentMap struct {
	m  map[interface{}]interface{}
	mu sync.RWMutex
}

func NewConcurrentMap() *ConcurrentMap {
	return &ConcurrentMap{
		m: make(map[interface{}]interface{}),
	}
}

func (cMap *ConcurrentMap) Delete(key interface{}) {
	cMap.mu.Lock()
	defer cMap.mu.Unlock()
	delete(cMap.m, key)
}

func (cMap *ConcurrentMap) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) {
	cMap.mu.RLock()
	defer cMap.mu.RUnlock()
	value, ok = cMap.m[key]
	return
}

func (cMap *ConcurrentMap) LoadOrStore(key, value interface{}) (actual interface{}, loaded bool) {
	cMap.mu.Lock()
	defer cMap.mu.Unlock()
	actual, loaded = cMap.m[key]
	if loaded {
		return
	}
	cMap.m[key] = value
	actual = value
	return
}

func (cMap *ConcurrentMap) Range(f func(key, value interface{}) bool) {
	cMap.mu.RLock()
	defer cMap.mu.RUnlock()
	for k, v := range cMap.m {
		if !f(k, v) {
			break
		}
	}
}

func (cMap *ConcurrentMap) Store(key, value interface{}) {
	cMap.mu.Lock()
	defer cMap.mu.Unlock()
	cMap.m[key] = value
}

func main() {
	pairs := []struct {
		k int
		v string
	}{
		{k: 1, v: "a"},
		{k: 2, v: "b"},
		{k: 3, v: "c"},
		{k: 4, v: "d"},
	}

	// 示例1。
	{
		cMap := NewConcurrentMap()
		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: %v, %vn",
				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: %v, %vn",
				key, value)
			return true
		})
	}
	fmt.Println()

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

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

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

		k3 := pairs[3].k
		v3, ok := sMap.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 := sMap.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 := sMap.LoadOrStore(k3, v3)
		fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)n",
			actual3, loaded3, k3, v3)

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

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

}

笔记源码

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

Go语言核心36讲(Go语言实战与应用十二)--学习笔记

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