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本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號(hào)「腦子進(jìn)煎魚了」，作者陳煎魚。轉(zhuǎn)載本文請(qǐng)聯(lián)系腦子進(jìn)煎魚了公眾號(hào)。

大家好，我是煎魚。

在日常工作中，如果我們能夠了解 Go 語言內(nèi)存模型，那會(huì)帶來非常大的作用。這樣在看一些極端情況，又或是變態(tài)面試題的時(shí)候，就能夠明白程序運(yùn)行表現(xiàn)下的很多根本原因了。

當(dāng)然，靠一篇普通文章講完 Go 內(nèi)存模型，不可能。因此今天這篇文章，把重點(diǎn)劃在給大家講解 Go 語言的 happens-before 原則這 1 個(gè)細(xì)節(jié)。

開吸，和煎魚揭開他的神秘面紗!

內(nèi)存模型定義是什么

既然要了解 happens-before 原則，我們得先知道 The Go Memory Model(Go 內(nèi)存模型)定義的是什么，官方解釋如下：

The Go memory model specifies the conditions under which reads of a variable in one goroutine can be guaranteed to observe values produced by writes to the same variable in a different goroutine.

在 Go 內(nèi)存模型規(guī)定：“在一個(gè) goroutine 中讀取一個(gè)變量時(shí)，可以保證觀察到不同 goroutine 中對(duì)同一變量的寫入所產(chǎn)生的值” 的條件。

這是學(xué)習(xí)后續(xù)知識(shí)的一個(gè)大前提。

happens-before 是什么

Happens Before 是一個(gè)專業(yè)術(shù)語，與 Go 語言沒有直接關(guān)系，也就是并非是特有的。用大白話來講，其定義是：

在一個(gè)多線程程序中，假設(shè)存在 A 和 B 兩個(gè)操作，如果 A 操作在 B 操作之前發(fā)生(A happens-before B)，那么 A 操作對(duì)內(nèi)存的影響將會(huì)對(duì)執(zhí)行 B 的線程可見。

A 不一定 happens-before B

從 happens-before 定義來看，我們可以反過來想。那就是：

在同一個(gè)(相同)線程中，如果都執(zhí)行 A 和 B 操作，并且 A 的聲明一定在 B 之前，那么 A 一定先于(happens-before)B 發(fā)生。

以下述 Go 代碼例子：

var A int 
var B int 
 
func main() { 
 A = B + 1  (1) 
 B = 1      (2) 
} 

該代碼是在同一個(gè) main goroutine，全局變量 A 在變量 B 之前聲明。

在 main 函數(shù)中，代碼行 (1)，也在代碼行 (2) 之前。因此我們可以得出 (1) 一定會(huì)在 (2) 前執(zhí)行，對(duì)嗎?

答案是：錯(cuò)誤的，因?yàn)?A happens-before B 并不意味著 A 操作一定會(huì)在 B 操作之前發(fā)生。

實(shí)際上在編譯器中，上述代碼在匯編的真正執(zhí)行順序如下：

0x0000 00000 (main.go:7) MOVQ "".B(SB), AX 
0x0007 00007 (main.go:7) INCQ AX 
0x000a 00010 (main.go:7) MOVQ AX, "".A(SB) 
0x0011 00017 (main.go:8) MOVQ $1, "".B(SB) 

• (2)：加載 B 到寄存器 AX。
• (2)：進(jìn)行 B = 1 賦值，在代碼中執(zhí)行為 INCQ 自增。
• (1)：將寄存器 AX 中值加上 1 后賦值給 A。

通過上述分析，我們可以得知。在代碼行 (1) 在 (2) 之前，但確實(shí) (2) 比 (1) 更早執(zhí)行。

那么這是不是意味著違反了 happens-before 的設(shè)計(jì)原則，畢竟這可是同個(gè)線程里的操作，Go 編譯器有 BUG?

其實(shí)不然，因?yàn)閷?duì) A 的賦值實(shí)質(zhì)上對(duì) B 的賦值沒有影響。所以并沒有違反 happens-before 的設(shè)計(jì)原則。

Go 語言中的 happens-before

在 《The Go Memory Model》 中，給出了 Go 語言中 Happens Before 的明確語言定義。

以下術(shù)語將會(huì)在介紹中用到：

• 變量 v：一個(gè)指代性的變量，用于示例演示。
• 讀 r：代表讀操作。
• 寫 w：代表寫操作。

定義

在滿足如下兩點(diǎn)條件下，允許對(duì)變量 v 的讀 r 觀察對(duì) v 的寫 w：

r 在 w 之前沒有發(fā)生。

沒有其他寫到 v 的 w' 發(fā)生在 w 之后但在 r 之前。

為了保證變量 v 的讀 r 觀察到對(duì) v 的特定寫 w，確保 w 是唯一允許 r 觀察的寫。

因此如果以下兩點(diǎn)都成立，就能保證 r 能觀察到 w ：

w 發(fā)生在 r 之前。

對(duì)共享變量 v 的任何其他寫入都發(fā)生在 w 之前或 r 之后。

這看起來比較生澀，接下來我們以《The Go Memory Model》 中具體的 channel 例子來進(jìn)行進(jìn)一步說明，會(huì)更好理解一些。

Go Channel 實(shí)例

在 Go 語言中提倡不要通過共享內(nèi)存來進(jìn)行通訊;相反，應(yīng)當(dāng)通過通訊來共享內(nèi)存：

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

因此在 Go 工程中，Channel 是一個(gè)非常常用的語法。在原則上其需要遵守：

一個(gè) channel 上的發(fā)送是在該 channel 的相應(yīng)接收完成之前發(fā)生的。

channel 的關(guān)閉發(fā)生在接收之前，因?yàn)橥ǖ辣魂P(guān)閉而返回一個(gè)零值。

一個(gè)無緩沖 channel 的接收發(fā)生在該 channel 的發(fā)送完成之前。

一個(gè)容量為 C 的 channel 上，第 k 次接收發(fā)生在該 channel 的第 k+C 次發(fā)送完成之前。

接下來根據(jù)這四條原則，我們逐一給出例子，用于學(xué)習(xí)和理解。

例子 1

Go channel 例子 1，你認(rèn)為輸出的結(jié)果是什么。如下：

var c = make(chan int, 10) 
var a string 
 
func f() { 
 a = "炸煎魚"   (1) 
 c <- 0        (2) 
} 
 
func main() { 
 go f() 
 <-c           (3) 
 print(a)      (4) 
} 

答案是空字符串嗎?

程序最終結(jié)果是正常輸出 “炸煎魚” 的，原因如下：

• (1) happens-before (2) 。
• (4) happens-after (3)。

當(dāng)然，最后 (1) 寫入變量 a 的操作，必然 happens-before 于 (4) print 方法，因此正確的輸出了 “炸煎魚”。

能夠滿足 “一個(gè) channel 上的發(fā)送是在該 channel 的相應(yīng)接收完成之前發(fā)生的”。

例子 2

主要是確保了關(guān)閉管道時(shí)的行為。只需要在前面的例子中，替換 c <- 0 成 close(c) 就能夠產(chǎn)生具有相同的行為保證的程序。

能夠滿足 “channel 的關(guān)閉發(fā)生在接收之前，因?yàn)橥ǖ辣魂P(guān)閉而返回一個(gè)零值”。

例子 3

Go channel 例子 3，你認(rèn)為輸出的結(jié)果是什么。如下：

var c = make(chan int) 
var a string 
 
func f() { 
 a = "煎魚進(jìn)腦子了"    (1) 
 <-c                 (2) 
} 
 
func main() { 
 go f() 
 c <- 0              (3) 
 print(a)            (4) 
} 

答案是空字符串嗎?

程序最終結(jié)果是正常輸出 “煎魚進(jìn)腦子了” 的，原因如下：

• (2) happens-before (3)。
• (1) happens-before (4)。

能夠滿足 “一個(gè)無緩沖 channel 的接收發(fā)生在該 channel 的發(fā)送完成之前”。

如果我們把無緩沖改為 make(chan int, 1)，也就是帶緩沖的 channel，則無法保證正常的輸出 “煎魚進(jìn)腦子了”。

例子 4

Go channel 例子 4，這個(gè)程序?yàn)楣ぷ髁斜碇械拿總€(gè)條目啟動(dòng)一個(gè) goroutine，但 goroutine 使用 channel 進(jìn)行協(xié)調(diào)，以確保每次最多只有三個(gè)工作函數(shù)在運(yùn)行。

代碼如下：

var limit = make(chan int, 3) 
 
func main() { 
 for _, w := range work { 
  go func(w func()) { 
   limit <- 1 
   w() 
   <-limit 
  }(w) 
 } 
 select{} 
} 

能夠滿足 “一個(gè)容量為 C 的 channel 上，第 k 次接收發(fā)生在該 channel 的第 k+C 次發(fā)送完成之前”。

總結(jié)

在本文中，我們針對(duì) happens-before 原則進(jìn)行了基本的說明。同時(shí)結(jié)合 Go 語言中實(shí)際的 happens-before 和 happens-after 的場(chǎng)景進(jìn)了展示和講解。

實(shí)際上，在日常的開發(fā)工作中，happens-before 原則基本已經(jīng)深入到潛意識(shí)中，就跟設(shè)計(jì)模式一樣。會(huì)不知覺就應(yīng)用到，但是若我們希望更進(jìn)一步的對(duì) Go 語言等內(nèi)存模型就行研究和理解，就必須對(duì)這個(gè)基本理念有所認(rèn)知。

你平時(shí)有沒有注意到這塊的問題呢，歡迎大家留言和討論!

參考

The Go Memory Model

Go內(nèi)存模型&Happen-Before(一)

GoLang 內(nèi)存模型

Golang happens before & channel

Go 內(nèi)存模型