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原文如下：

有一天，我正研究共享計(jì)數(shù)器的簡(jiǎn)單經(jīng)典實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)方式使用的是 C++ 中的互斥鎖，這時(shí)，我非常想知道還有哪些線程安全的實(shí)現(xiàn)方式。我通常使用 Go 來(lái)滿足自己的好奇心，本文就是一篇如何用 goroutine-safe 的方式實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器的方法匯總。

不要這樣做

我們先從非安全的實(shí)現(xiàn)方式開(kāi)始：

type NotSafeCounter struct { 
 number uint64 
} 
 
func NewNotSafeCounter() Counter { 
 return &NotSafeCounter{0} 
} 
 
func (c *NotSafeCounter) Add(num uint64) { 
 c.number = c.number + num 
} 
 
func (c *NotSafeCounter) Read() uint64 { 
 return c.number 
} 

代碼上沒(méi)什么特別的地方。我們來(lái)測(cè)試下結(jié)果正確與否：創(chuàng)建 100 個(gè) goroutine，其中三分之二的 goroutine 對(duì)共享計(jì)數(shù)器加一。

func testCorrectness(t *testing.T, counter Counter) { 
 wg := &sync.WaitGroup{} 
 for i := 0; i < 100; i++ { 
  wg.Add(1) 
  if i%3 == 0 { 
   go func(counter Counter) { 
    counter.Read() 
    wg.Done() 
   }(counter) 
  } else if i%3 == 1 { 
   go func(counter Counter) { 
    counter.Add(1) 
    counter.Read() 
    wg.Done() 
   }(counter) 
  } else { 
   go func(counter Counter) { 
    counter.Add(1) 
    wg.Done() 
   }(counter) 
  } 
 } 
 
 wg.Wait() 
 
 if counter.Read() != 66 { 
  t.Errorf("counter should be %d and was %d", 66, counter.Read()) 
 } 
} 

測(cè)試的結(jié)果是不確定的，有時(shí)候能正確運(yùn)行，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)類似這樣的錯(cuò)誤：

counter_test.go:34: counter should be 66 and was 65 

經(jīng)典實(shí)現(xiàn)方式

實(shí)現(xiàn)一個(gè)正確計(jì)數(shù)器的傳統(tǒng)方式是使用互斥鎖，保證任意時(shí)間只有一個(gè)協(xié)程操作計(jì)數(shù)器。Go 語(yǔ)言的話，我們可以使用 sync 包。

type MutexCounter struct { 
 mu     *sync.RWMutex 
 number uint64 
} 
 
func NewMutexCounter() Counter { 
 return &MutexCounter{&sync.RWMutex{}, 0} 
} 
 
func (c *MutexCounter) Add(num uint64) { 
 c.mu.Lock() 
 defer c.mu.Unlock() 
 c.number = c.number + num 
} 
 
func (c *MutexCounter) Read() uint64 { 
 c.mu.RLock() 
 defer c.mu.RUnlock() 
 return c.number 
} 

現(xiàn)在測(cè)試結(jié)果每次都能通過(guò)且都是正確的。

使用 channel

鎖是一種保證同步的低級(jí)原語(yǔ)。Go 也提供了更高級(jí)實(shí)現(xiàn)方式 - channel。

關(guān)于 mutexe 和 channel，現(xiàn)在有太多類似這樣的討論：“mutexe vs channel ”、“哪個(gè)更好”、“我應(yīng)當(dāng)使用哪一個(gè)”等。其中一些討論非常有趣且有益，但這并不是本文討論的重點(diǎn)。

我們使用 channel 來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)程安全的計(jì)數(shù)器，使用 channel 充當(dāng)隊(duì)列，對(duì)計(jì)數(shù)器的操作(讀、寫(xiě))都緩存在隊(duì)列中，按順序操作。具體的操作通過(guò)傳遞 func() 實(shí)現(xiàn)。創(chuàng)建時(shí)，計(jì)數(shù)器會(huì)衍生出一個(gè) goroutine 并且按順序執(zhí)行隊(duì)列里的操作。

下面是計(jì)數(shù)器的定義：

type ChannelCounter struct { 
 ch     chan func() 
 number uint64 
} 
 
func NewChannelCounter() Counter { 
 counter := &ChannelCounter{make(chan func(), 100), 0} 
 go func(counter *ChannelCounter) { 
  for f := range counter.ch { 
   f() 
  } 
 }(counter) 
 return counter 
} 

當(dāng)一個(gè)協(xié)程調(diào)用 Add()，就往隊(duì)列里面添加一個(gè)寫(xiě)操作：

func (c *ChannelCounter) Add(num uint64) { 
 c.ch <- func() { 
  c.number = c.number + num 
 } 
} 

當(dāng)一個(gè)協(xié)程調(diào)用 Read()，就往隊(duì)列里面添加一個(gè)讀操作：

func (c *ChannelCounter) Read() uint64 { 
 ret := make(chan uint64) 
 c.ch <- func() { 
  ret <- c.number 
  close(ret) 
 } 
 return <-ret 
} 

我真正喜歡這個(gè)實(shí)現(xiàn)的地方在于，這種按順序執(zhí)行的方式非常的清晰。

原子方式

我們甚至可以用更低級(jí)別的原語(yǔ)，利用 sync/atomic 包執(zhí)行原子操作。

type AtomicCounter struct { 
 number uint64 
} 
 
func NewAtomicCounter() Counter { 
 return &AtomicCounter{0} 
} 
 
func (c *AtomicCounter) Add(num uint64) { 
 atomic.AddUint64(&c.number, num) 
} 
 
func (c *AtomicCounter) Read() uint64 { 
 return atomic.LoadUint64(&c.number) 
} 

比較和交換

或者，我們可以使用非常經(jīng)典的原語(yǔ)：CAS，對(duì)計(jì)時(shí)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。

func (c *CASCounter) Add(num uint64) { 
 for { 
  v := atomic.LoadUint64(&c.number) 
  if atomic.CompareAndSwapUint64(&c.number, v, v+num) { 
   return 
  } 
 } 
} 
 
func (c *CASCounter) Read() uint64 { 
 return atomic.LoadUint64(&c.number) 
} 

float 類型該如何實(shí)現(xiàn)

在我探索學(xué)習(xí)過(guò)程中，看到一個(gè)非常棒的視頻 - 《Prometheus: Designing and Implementing a Modern Monitoring Solution in Go[1]》。在視頻的最后，討論了如何實(shí)現(xiàn)浮點(diǎn)數(shù)計(jì)數(shù)器。到目前為止，所有的技術(shù)都適用于浮點(diǎn)數(shù)，除了 sync/atomic 包，還沒(méi)提供浮點(diǎn)數(shù)的原子操作。

在視頻里，Bj?rn Rabenstein 介紹了如何通過(guò)將浮點(diǎn)數(shù)存儲(chǔ)為 uint64 并使用 math.Float64bits 和 math.Float64frombits 在 float64 和 uint64 之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換來(lái)解決此問(wèn)題。

type CASFloatCounter struct { 
 number uint64 
} 
 
func NewCASFloatCounter() *CASFloatCounter { 
 return &CASFloatCounter{0} 
} 
 
func (c *CASFloatCounter) Add(num float64) { 
 for { 
  v := atomic.LoadUint64(&c.number) 
  newValue := math.Float64bits(math.Float64frombits(v) + num) 
  if atomic.CompareAndSwapUint64(&c.number, v, newValue) { 
   return 
  } 
 } 
} 
 
func (c *CASFloatCounter) Read() float64 { 
 return math.Float64frombits(atomic.LoadUint64(&c.number)) 
} 

最后

這篇文章是共享計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)匯總。這是我好奇心驅(qū)使的結(jié)果，此外對(duì)并發(fā)也有一個(gè)基本的了解。如果你有其他實(shí)現(xiàn)共享計(jì)數(shù)的方式，請(qǐng)告訴我。

本文提到的實(shí)現(xiàn)方式對(duì)應(yīng)的代碼可以看這里[2]，此外還包括運(yùn)行用例和基準(zhǔn)測(cè)試。

參考資料

[1]Prometheus: Designing and Implementing a Modern Monitoring Solution in Go: https://www.youtube.com/watch?v=1V7eJ0jN8-E

[2]看這里: https://github.com/brunocalza/sharedcounter

via:https://brunocalza.me/there-are-many-ways-to-safely-count/

作者：BRUNO CALZA

四哥水平有限，如有翻譯或理解錯(cuò)誤，煩請(qǐng)幫忙指出，感謝!