Go 開發要了解的 1 個內存模型細節
本文轉載自微信公眾號「腦子進煎魚了」，作者陳煎魚。轉載本文請聯系腦子進煎魚了公眾號。
大家好，我是煎魚。
在日常工作中，如果我們能夠了解 Go 語言內存模型，那會帶來非常大的作用。這樣在看一些極端情況，又或是變態面試題的時候，就能夠明白程序運行表現下的很多根本原因了。
當然，靠一篇普通文章講完 Go 內存模型，不可能。因此今天這篇文章，把重點劃在給大家講解 Go 語言的 happens-before 原則這 1 個細節。
開吸，和煎魚揭開他的神秘面紗!
內存模型定義是什么
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 內存模型規定：“在一個 goroutine 中讀取一個變量時，可以保證觀察到不同 goroutine 中對同一變量的寫入所產生的值” 的條件。
這是學習后續知識的一個大前提。
happens-before 是什么
Happens Before 是一個專業術語，與 Go 語言沒有直接關系，也就是并非是特有的。用大白話來講，其定義是：
在一個多線程程序中，假設存在 A 和 B 兩個操作，如果 A 操作在 B 操作之前發生(A happens-before B)，那么 A 操作對內存的影響將會對執行 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(相同)線程中，如果都執行 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 main goroutine，全局變量 A 在變量 B 之前聲明。
在 main 函數中，代碼行 (1)，也在代碼行 (2) 之前。因此我們可以得出 (1) 一定會在 (2) 前執行，對嗎?
答案是：錯誤的，因為 A happens-before B 并不意味著 A 操作一定會在 B 操作之前發生。
實際上在編譯器中，上述代碼在匯編的真正執行順序如下：
- 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)：進行 B = 1 賦值，在代碼中執行為 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 (2) 比 (1) 更早執行。
那么這是不是意味著違反了 happens-before 的設計原則，畢竟這可是同個線程里的操作，Go 編譯器有 BUG?
其實不然，因為對 A 的賦值實質上對 B 的賦值沒有影響。所以并沒有違反 happens-before 的設計原則。
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。
以下術語將會在介紹中用到：
- 變量 v：一個指代性的變量，用于示例演示。
- 讀 r：代表讀操作。
- 寫 w：代表寫操作。
定義
在滿足如下兩點條件下，允許對變量 v 的讀 r 觀察對 v 的寫 w：
r 在 w 之前沒有發生。
沒有其他寫到 v 的 w' 發生在 w 之后但在 r 之前。
為了保證變量 v 的讀 r 觀察到對 v 的特定寫 w，確保 w 是唯一允許 r 觀察的寫。
因此如果以下兩點都成立，就能保證 r 能觀察到 w ：
w 發生在 r 之前。
對共享變量 v 的任何其他寫入都發生在 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 例子來進行進一步說明，會更好理解一些。
Go Channel 實例
在 Go 語言中提倡不要通過共享內存來進行通訊;相反，應當通過通訊來共享內存：
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
因此在 Go 工程中，Channel 是一個非常常用的語法。在原則上其需要遵守：
一個 channel 上的發送是在該 channel 的相應接收完成之前發生的。
channel 的關閉發生在接收之前，因為通道被關閉而返回一個零值。
一個無緩沖 channel 的接收發生在該 channel 的發送完成之前。
一個容量為 C 的 channel 上，第 k 次接收發生在該 channel 的第 k+C 次發送完成之前。
接下來根據這四條原則，我們逐一給出例子，用于學習和理解。
例子 1
Go channel 例子 1，你認為輸出的結果是什么。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?
程序最終結果是正常輸出 “炸煎魚” 的，原因如下：
- (1) happens-before (2) 。
- (4) happens-after (3)。
當然，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 channel 上的發送是在該 channel 的相應接收完成之前發生的”。
例子 2
主要是確保了關閉管道時的行為。只需要在前面的例子中，替換 c <- 0 成 close(c) 就能夠產生具有相同的行為保證的程序。
能夠滿足 “channel 的關閉發生在接收之前，因為通道被關閉而返回一個零值”。
例子 3
Go channel 例子 3，你認為輸出的結果是什么。如下：
- var c = make(chan int)
- var a string
- func f() {
- a = "煎魚進腦子了" (1)
- <-c (2)
- }
- func main() {
- go f()
- c <- 0 (3)
- print(a) (4)
- }
答案是空字符串嗎?
程序最終結果是正常輸出 “煎魚進腦子了” 的，原因如下：
- (2) happens-before (3)。
- (1) happens-before (4)。
能夠滿足 “一個無緩沖 channel 的接收發生在該 channel 的發送完成之前”。
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 “煎魚進腦子了”。
例子 4
Go channel 例子 4，這個程序為工作列表中的每個條目啟動一個 goroutine，但 goroutine 使用 channel 進行協調，以確保每次最多只有三個工作函數在運行。
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 “一個容量為 C 的 channel 上，第 k 次接收發生在該 channel 的第 k+C 次發送完成之前”。
總結
在本文中，我們針對 happens-before 原則進行了基本的說明。同時結合 Go 語言中實際的 happens-before 和 happens-after 的場景進了展示和講解。
實際上，在日常的開發工作中，happens-before 原則基本已經深入到潛意識中，就跟設計模式一樣。會不知覺就應用到，但是若我們希望更進一步的對 Go 語言等內存模型就行研究和理解，就必須對這個基本理念有所認知。
你平時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內存模型&Happen-Before(一)
GoLang 內存模型
Golang happens before & channel
Go 內存模型
