快捷導(dǎo)航

深入探討Go語言中的map是否是并發(fā)安全以及解決方法

更新時間：2023年05月29日 08:29:12 作者：yongxinz

這篇文章主要來和大家探討?Go?語言中的?map?是否是并發(fā)安全的，并提供三種方案來解決并發(fā)問題，文中的示例代碼講解詳細(xì)，需要的可以參考一下

package?main

import?"sync"

func?main()?{
????m?:=?make(map[string]int)
????m["foo"]?=?1

????var?wg?sync.WaitGroup
????wg.Add(2)

????go?func()?{
????????for?i?:=?0;?i?<?1000;?i++?{
????????????m["foo"]++
????????}
????????wg.Done()
????}()

????go?func()?{
????????for?i?:=?0;?i?<?1000;?i++?{
????????????m["foo"]++
????????}
????????wg.Done()
????}()

????wg.Wait()
}

在這個例子中，我們可以看到，兩個 goroutine 將嘗試同時對 map 進(jìn)行寫入。運(yùn)行這個程序時，我們將看到一個錯誤：

fatal error: concurrent map writes

也就是說，在并發(fā)場景下，這樣操作 map 是不行的。

為什么是不安全的

因為它沒有內(nèi)置的鎖機(jī)制來保護(hù)多個 goroutine 同時對其進(jìn)行讀寫操作。

當(dāng)多個 goroutine 同時對同一個 map 進(jìn)行讀寫操作時，就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)競爭和不一致的結(jié)果。

就像上例那樣，當(dāng)兩個 goroutine 同時嘗試更新同一個鍵值對時，最終的結(jié)果可能取決于哪個 goroutine 先完成了更新操作。這種不確定性可能會導(dǎo)致程序出現(xiàn)錯誤或崩潰。

Go 語言團(tuán)隊沒有將 map 設(shè)計成并發(fā)安全的，是因為這樣會增加程序的開銷并降低性能。

如果 map 內(nèi)置了鎖機(jī)制，那么每次訪問 map 時都需要進(jìn)行加鎖和解鎖操作，這會增加程序的運(yùn)行時間并降低性能。

此外，并不是所有的程序都需要在并發(fā)場景下使用 map，因此將鎖機(jī)制內(nèi)置到 map 中會對那些不需要并發(fā)安全的程序造成不必要的開銷。

在實(shí)際使用過程中，開發(fā)人員可以根據(jù)程序的需求來選擇是否需要保證 map 的并發(fā)安全性，從而在性能和安全性之間做出權(quán)衡。

如何并發(fā)安全

接下來介紹三種并發(fā)安全的方式：

讀寫鎖
分片加鎖
sync.Map

加讀寫鎖

第一種方法是使用讀寫鎖，這是最容易想到的一種方式。在讀操作時加讀鎖，在寫操作時加寫鎖。

package?main

import?(
????"fmt"
????"sync"
)

type?SafeMap?struct?{
????sync.RWMutex
????Map?map[string]string
}

func?NewSafeMap()?*SafeMap?{
????sm?:=?new(SafeMap)
????sm.Map?=?make(map[string]string)
????return?sm
}

func?(sm?*SafeMap)?ReadMap(key?string)?string?{
????sm.RLock()
????value?:=?sm.Map[key]
????sm.RUnlock()
????return?value
}

func?(sm?*SafeMap)?WriteMap(key?string,?value?string)?{
????sm.Lock()
????sm.Map[key]?=?value
????sm.Unlock()
}

func?main()?{
????safeMap?:=?NewSafeMap()

????var?wg?sync.WaitGroup

????//?啟動多個goroutine進(jìn)行寫操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????safeMap.WriteMap(fmt.Sprintf("name%d",?i),?fmt.Sprintf("John%d",?i))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()

????//?啟動多個goroutine進(jìn)行讀操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????fmt.Println(safeMap.ReadMap(fmt.Sprintf("name%d",?i)))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()
}

在這個示例中，我們定義了一個 SafeMap 結(jié)構(gòu)體，它包含一個 sync.RWMutex 和一個 map[string]string。

定義了兩個方法：ReadMap 和 WriteMap。在 ReadMap 方法中，我們使用讀鎖來保護(hù)對 map 的讀取操作。在 WriteMap 方法中，我們使用寫鎖來保護(hù)對 map 的寫入操作。

在 main 函數(shù)中，我們啟動了多個 goroutine 來進(jìn)行讀寫操作，這些操作都是安全的。

分片加鎖

上例中通過對整個 map 加鎖來實(shí)現(xiàn)需求，但相對來說，鎖會大大降低程序的性能，那如何優(yōu)化呢？其中一個優(yōu)化思路就是降低鎖的粒度，不對整個 map 進(jìn)行加鎖。

這種方法是分片加鎖，將這個 map 分成 n 塊，每個塊之間的讀寫操作都互不干擾，從而降低沖突的可能性。

package?main

import?(
????"fmt"
????"sync"
)

const?N?=?16

type?SafeMap?struct?{
????maps??[N]map[string]string
????locks?[N]sync.RWMutex
}

func?NewSafeMap()?*SafeMap?{
????sm?:=?new(SafeMap)
????for?i?:=?0;?i?<?N;?i++?{
????????sm.maps[i]?=?make(map[string]string)
????}
????return?sm
}

func?(sm?*SafeMap)?ReadMap(key?string)?string?{
????index?:=?hash(key)?%?N
????sm.locks[index].RLock()
????value?:=?sm.maps[index][key]
????sm.locks[index].RUnlock()
????return?value
}

func?(sm?*SafeMap)?WriteMap(key?string,?value?string)?{
????index?:=?hash(key)?%?N
????sm.locks[index].Lock()
????sm.maps[index][key]?=?value
????sm.locks[index].Unlock()
}

func?hash(s?string)?int?{
????h?:=?0
????for?i?:=?0;?i?<?len(s);?i++?{
????????h?=?31*h?+?int(s[i])
????}
????return?h
}

func?main()?{
????safeMap?:=?NewSafeMap()

????var?wg?sync.WaitGroup

????//?啟動多個goroutine進(jìn)行寫操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????safeMap.WriteMap(fmt.Sprintf("name%d",?i),?fmt.Sprintf("John%d",?i))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()

????//?啟動多個goroutine進(jìn)行讀操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????fmt.Println(safeMap.ReadMap(fmt.Sprintf("name%d",?i)))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()
}

在這個示例中，我們定義了一個 SafeMap 結(jié)構(gòu)體，它包含一個長度為 N 的 map 數(shù)組和一個長度為 N 的鎖數(shù)組。

定義了兩個方法：ReadMap 和 WriteMap。在這兩個方法中，我們都使用了一個 hash 函數(shù)來計算 key 應(yīng)該存儲在哪個 map 中。然后再對這個 map 進(jìn)行讀寫操作。

在 main 函數(shù)中，我們啟動了多個 goroutine 來進(jìn)行讀寫操作，這些操作都是安全的。

有一個開源項目 orcaman/concurrent-map 就是通過這種思想來做的，感興趣的同學(xué)可以看看。

sync.Map

最后，在內(nèi)置的 sync 包中（Go 1.9+）也有一個線程安全的 map，通過將讀寫分離的方式實(shí)現(xiàn)了某些特定場景下的性能提升。

package?main

import?(
????"fmt"
????"sync"
)

func?main()?{
????var?m?sync.Map
????var?wg?sync.WaitGroup

????//?啟動多個goroutine進(jìn)行寫操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????m.Store(fmt.Sprintf("name%d",?i),?fmt.Sprintf("John%d",?i))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()

????//?啟動多個goroutine進(jìn)行讀操作
????for?i?:=?0;?i?<?10;?i++?{
????????wg.Add(1)
????????go?func(i?int)?{
????????????defer?wg.Done()
????????????v,?_?:=?m.Load(fmt.Sprintf("name%d",?i))
????????????fmt.Println(v.(string))
????????}(i)
????}

????wg.Wait()
}

有了官方的支持，代碼瞬間少了很多，使用起來方便多了。

在這個示例中，我們使用了內(nèi)置的 sync.Map 類型來存儲鍵值對，使用 Store 方法來存儲鍵值對，使用 Load 方法來獲取鍵值對。

在 main 函數(shù)中，我們啟動了多個 goroutine 來進(jìn)行讀寫操作，這些操作都是安全的。