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本文轉載自微信公眾號「Golang來啦」，作者Seekload。轉載本文請聯系Golang來啦公眾號。
原文如下：
有一天，我正研究共享計數器的簡單經典實現，實現方式使用的是 C++ 中的互斥鎖，這時，我非常想知道還有哪些線程安全的實現方式。我通常使用 Go 來滿足自己的好奇心，本文就是一篇如何用 goroutine-safe 的方式實現計數器的方法匯總。
不要這樣做
我們先從非安全的實現方式開始：
- 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
- }
代碼上沒什么特別的地方。我們來測試下結果正確與否：創(chuàng)建 100 個 goroutine，其中三分之二的 goroutine 對共享計數器加一。
- 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())
- }
- }
測試的結果是不確定的，有時候能正確運行，有時候會出現類似這樣的錯誤：
- counter_test.go:34: counter should be 66 and was 65
經典實現方式
實現一個正確計數器的傳統方式是使用互斥鎖，保證任意時間只有一個協程操作計數器。Go 語言的話，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
- }
現在測試結果每次都能通過且都是正確的。
使用 channel
鎖是一種保證同步的低級原語。Go 也提供了更高級實現方式 - channel。
關于 mutexe 和 channel，現在有太多類似這樣的討論：“mutexe vs channel ”、“哪個更好”、“我應當使用哪一個”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。
我們使用 channel 來實現協程安全的計數器，使用 channel 充當隊列，對計數器的操作(讀、寫)都緩存在隊列中，按順序操作。具體的操作通過傳遞 func() 實現。創(chuàng)建時，計數器會衍生出一個 goroutine 并且按順序執(zhí)行隊列里的操作。
下面是計數器的定義：
- 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
- }
當一個協程調用 Add()，就往隊列里面添加一個寫操作：
- func (c *ChannelCounter) Add(num uint64) {
- c.ch <- func() {
- c.number = c.number + num
- }
- }
當一個協程調用 Read()，就往隊列里面添加一個讀操作：
- func (c *ChannelCounter) Read() uint64 {
- ret := make(chan uint64)
- c.ch <- func() {
- ret <- c.number
- close(ret)
- }
- return <-ret
- }
我真正喜歡這個實現的地方在于，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別的原語，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典的原語：CAS，對計時器進行計數。
- 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 類型該如何實現
在我探索學習過程中，看到一個非常棒的視頻 - 《Prometheus: Designing and Implementing a Modern Monitoring Solution in Go[1]》。在視頻的最后，討論了如何實現浮點數計數器。到目前為止，所有的技術都適用于浮點數，除了 sync/atomic 包，還沒提供浮點數的原子操作。
在視頻里，Bj?rn Rabenstein 介紹了如何通過將浮點數存儲為 uint64 并使用 math.Float64bits 和 math.Float64frombits 在 float64 和 uint64 之間進行轉換來解決此問題。
- 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
這篇文章是共享計數器的實現匯總。這是我好奇心驅使的結果，此外對并發(fā)也有一個基本的了解。如果你有其他實現共享計數的方式，請告訴我。
本文提到的實現方式對應的代碼可以看這里[2]，此外還包括運行用例和基準測試。
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，如有翻譯或理解錯誤，煩請幫忙指出，感謝!
分享標題：Go語言實現安全計數的若干種方法
轉載源于：http://www.5511xx.com/article/coceece.html
