摘要:除此之外,把并發安全字典封裝在一個結構體類型中,往往是一個很好的選擇。請看下面的代碼如上所示,我編寫了一個名為的結構體類型,它代表了鍵類型為值類型為的并發安全字典。在這個結構體類型中,只有一個類型的字段。
我們今天再來講一個并發安全的高級數據結構:sync.Map。眾所周知,Go 語言自帶的字典類型map并不是并發安全的。
換句話說,在同一時間段內,讓不同 goroutine 中的代碼,對同一個字典進行讀寫操作是不安全的。字典值本身可能會因這些操作而產生混亂,相關的程序也可能會因此發生不可預知的問題。
在sync.Map出現之前,我們如果要實現并發安全的字典,就只能自行構建。不過,這其實也不是什么麻煩事,使用 sync.Mutex或sync.RWMutex,再加上原生的map就可以輕松地做到。
GitHub 網站上已經有很多庫提供了類似的數據結構。我在《Go 并發編程實戰》的第 2 版中也提供了一個比較完整的并發安全字典的實現。它的性能比同類的數據結構還要好一些,因為它在很大程度上有效地避免了對鎖的依賴。
盡管已經有了不少的參考實現,Go 語言愛好者們還是希望 Go 語言官方能夠發布一個標準的并發安全字典。
經過大家多年的建議和吐槽,Go 語言官方終于在 2017 年發布的 Go 1.9 中,正式加入了并發安全的字典類型sync.Map。
這個字典類型提供了一些常用的鍵值存取操作方法,并保證了這些操作的并發安全。同時,它的存、取、刪等操作都可以基本保證在常數時間內執行完畢。換句話說,它們的算法復雜度與map類型一樣都是O(1)的。
在有些時候,與單純使用原生map和互斥鎖的方案相比,使用sync.Map可以顯著地減少鎖的爭用。sync.Map本身雖然也用到了鎖,但是,它其實在盡可能地避免使用鎖。
我們都知道,使用鎖就意味著要把一些并發的操作強制串行化。這往往會降低程序的性能,尤其是在計算機擁有多個 CPU 核心的情況下。
因此,我們常說,能用原子操作就不要用鎖,不過這很有局限性,畢竟原子只能對一些基本的數據類型提供支持。
無論在何種場景下使用sync.Map,我們都需要注意,與原生map明顯不同,它只是 Go 語言標準庫中的一員,而不是語言層面的東西。也正因為這一點,Go 語言的編譯器并不會對它的鍵和值,進行特殊的類型檢查。
如果你看過sync.Map的文檔或者實際使用過它,那么就一定會知道,它所有的方法涉及的鍵和值的類型都是interface{},也就是空接口,這意味著可以包羅萬象。所以,我們必須在程序中自行保證它的鍵類型和值類型的正確性。
好了,現在第一個問題來了。今天的問題是:并發安全字典對鍵的類型有要求嗎?
這道題的典型回答是:有要求。鍵的實際類型不能是函數類型、字典類型和切片類型。
解析一下這個問題。 我們都知道,Go 語言的原生字典的鍵類型不能是函數類型、字典類型和切片類型。
由于并發安全字典內部使用的存儲介質正是原生字典,又因為它使用的原生字典鍵類型也是可以包羅萬象的interface{};所以,我們絕對不能帶著任何實際類型為函數類型、字典類型或切片類型的鍵值去操作并發安全字典。
由于這些鍵值的實際類型只有在程序運行期間才能夠確定,所以 Go 語言編譯器是無法在編譯期對它們進行檢查的,不正確的鍵值實際類型肯定會引發 panic。
因此,我們在這里首先要做的一件事就是:一定不要違反上述規則。我們應該在每次操作并發安全字典的時候,都去顯式地檢查鍵值的實際類型。無論是存、取還是刪,都應該如此。
當然,更好的做法是,把針對同一個并發安全字典的這幾種操作都集中起來,然后統一地編寫檢查代碼。除此之外,把并發安全字典封裝在一個結構體類型中,往往是一個很好的選擇。
總之,我們必須保證鍵的類型是可比較的(或者說可判等的)。如果你實在拿不準,那么可以先通過調用reflect.TypeOf函數得到一個鍵值對應的反射類型值(即:reflect.Type類型的值),然后再調用這個值的Comparable方法,得到確切的判斷結果。
簡單地說,可以使用類型斷言表達式或者反射操作來保證它們的類型正確性。
為了進一步明確并發安全字典中鍵值的實際類型,這里大致有兩種方案可選。
第一種方案是,讓并發安全字典只能存儲某個特定類型的鍵。
比如,指定這里的鍵只能是int類型的,或者只能是字符串,又或是某類結構體。一旦完全確定了鍵的類型,你就可以在進行存、取、刪操作的時候,使用類型斷言表達式去對鍵的類型做檢查了。
一般情況下,這種檢查并不繁瑣。而且,你要是把并發安全字典封裝在一個結構體類型里面,那就更加方便了。你這時完全可以讓 Go 語言編譯器幫助你做類型檢查。請看下面的代碼:
type IntStrMap struct { m sync.Map}func (iMap *IntStrMap) Delete(key int) { iMap.m.Delete(key)}func (iMap *IntStrMap) Load(key int) (value string, ok bool) { v, ok := iMap.m.Load(key) if v != nil { value = v.(string) } return}func (iMap *IntStrMap) LoadOrStore(key int, value string) (actual string, loaded bool) { a, loaded := iMap.m.LoadOrStore(key, value) actual = a.(string) return}func (iMap *IntStrMap) Range(f func(key int, value string) bool) { f1 := func(key, value interface{}) bool { return f(key.(int), value.(string)) } iMap.m.Range(f1)}func (iMap *IntStrMap) Store(key int, value string) { iMap.m.Store(key, value)}
如上所示,我編寫了一個名為IntStrMap的結構體類型,它代表了鍵類型為int、值類型為string的并發安全字典。在這個結構體類型中,只有一個sync.Map類型的字段m。并且,這個類型擁有的所有方法,都與sync.Map類型的方法非常類似。
兩者對應的方法名稱完全一致,方法簽名也非常相似,只不過,與鍵和值相關的那些參數和結果的類型不同而已。在IntStrMap類型的方法簽名中,明確了鍵的類型為int,且值的類型為string。
顯然,這些方法在接受鍵和值的時候,就不用再做類型檢查了。另外,這些方法在從m中取出鍵和值的時候,完全不用擔心它們的類型會不正確,因為它的正確性在當初存入的時候,就已經由 Go 語言編譯器保證了。
稍微總結一下。第一種方案適用于我們可以完全確定鍵和值的具體類型的情況。在這種情況下,我們可以利用 Go 語言編譯器去做類型檢查,并用類型斷言表達式作為輔助,就像IntStrMap那樣。
我們今天討論的是sync.Map類型,它是一種并發安全的字典。它提供了一些常用的鍵、值存取操作方法,并保證了這些操作的并發安全。同時,它還保證了存、取、刪等操作的常數級執行時間。
與原生的字典相同,并發安全字典對鍵的類型也是有要求的。它們同樣不能是函數類型、字典類型和切片類型。
另外,由于并發安全字典提供的方法涉及的鍵和值的類型都是interface{},所以我們在調用這些方法的時候,往往還需要對鍵和值的實際類型進行檢查。
這里大致有兩個方案。我們今天主要提到了第一種方案,這是在編碼時就完全確定鍵和值的類型,然后利用 Go 語言的編譯器幫我們做檢查。
在下一次的文章中,我們會提到另外一種方案,并對比這兩種方案的優劣。除此之外,我會繼續探討并發安全字典的相關問題。
package mainimport ( "fmt" "sync")// ConcurrentMap 代表自制的簡易并發安全字典。type ConcurrentMap struct { m map[interface{}]interface{} mu sync.RWMutex}func NewConcurrentMap() *ConcurrentMap { return &ConcurrentMap{ m: make(map[interface{}]interface{}), }}func (cMap *ConcurrentMap) Delete(key interface{}) { cMap.mu.Lock() defer cMap.mu.Unlock() delete(cMap.m, key)}func (cMap *ConcurrentMap) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) { cMap.mu.RLock() defer cMap.mu.RUnlock() value, ok = cMap.m[key] return}func (cMap *ConcurrentMap) LoadOrStore(key, value interface{}) (actual interface{}, loaded bool) { cMap.mu.Lock() defer cMap.mu.Unlock() actual, loaded = cMap.m[key] if loaded { return } cMap.m[key] = value actual = value return}func (cMap *ConcurrentMap) Range(f func(key, value interface{}) bool) { cMap.mu.RLock() defer cMap.mu.RUnlock() for k, v := range cMap.m { if !f(k, v) { break } }}func (cMap *ConcurrentMap) Store(key, value interface{}) { cMap.mu.Lock() defer cMap.mu.Unlock() cMap.m[key] = value}func main() { pairs := []struct { k int v string }{ {k: 1, v: "a"}, {k: 2, v: "b"}, {k: 3, v: "c"}, {k: 4, v: "d"}, } // 示例1。 { cMap := NewConcurrentMap() cMap.Store(pairs[0].k, pairs[0].v) cMap.Store(pairs[1].k, pairs[1].v) cMap.Store(pairs[2].k, pairs[2].v) fmt.Println("[Three pairs have been stored in the ConcurrentMap instance]") cMap.Range(func(key, value interface{}) bool { fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %v, %v/n", key, value) return true }) k0 := pairs[0].k v0, ok := cMap.Load(k0) fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)/n", v0, ok, k0) k3 := pairs[3].k v3, ok := cMap.Load(k3) fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)/n", v3, ok, k3) k2, v2 := pairs[2].k, pairs[2].v actual2, loaded2 := cMap.LoadOrStore(k2, v2) fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)/n", actual2, loaded2, k2, v2) v3 = pairs[3].v actual3, loaded3 := cMap.LoadOrStore(k3, v3) fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)/n", actual3, loaded3, k3, v3) k1 := pairs[1].k cMap.Delete(k1) fmt.Printf("[The pair with the key of %v has been removed from the ConcurrentMap instance]/n", k1) v1, ok := cMap.Load(k1) fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)/n", v1, ok, k1) v1 = pairs[1].v actual1, loaded1 := cMap.LoadOrStore(k1, v1) fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)/n", actual1, loaded1, k1, v1) cMap.Range(func(key, value interface{}) bool { fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %v, %v/n", key, value) return true }) } fmt.Println() // 示例2。 { var sMap sync.Map sMap.Store(pairs[0].k, pairs[0].v) sMap.Store(pairs[1].k, pairs[1].v) sMap.Store(pairs[2].k, pairs[2].v) fmt.Println("[Three pairs have been stored in the sync.Map instance]") sMap.Range(func(key, value interface{}) bool { fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %v, %v/n", key, value) return true }) k0 := pairs[0].k v0, ok := sMap.Load(k0) fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)/n", v0, ok, k0) k3 := pairs[3].k v3, ok := sMap.Load(k3) fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)/n", v3, ok, k3) k2, v2 := pairs[2].k, pairs[2].v actual2, loaded2 := sMap.LoadOrStore(k2, v2) fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)/n", actual2, loaded2, k2, v2) v3 = pairs[3].v actual3, loaded3 := sMap.LoadOrStore(k3, v3) fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)/n", actual3, loaded3, k3, v3) k1 := pairs[1].k sMap.Delete(k1) fmt.Printf("[The pair with the key of %v has been removed from the sync.Map instance]/n", k1) v1, ok := sMap.Load(k1) fmt.Printf("The result of Load: %v, %v (key: %v)/n", v1, ok, k1) v1 = pairs[1].v actual1, loaded1 := sMap.LoadOrStore(k1, v1) fmt.Printf("The result of LoadOrStore: %v, %v (key: %v, value: %v)/n", actual1, loaded1, k1, v1) sMap.Range(func(key, value interface{}) bool { fmt.Printf("The result of an iteration in Range: %v, %v/n", key, value) return true }) }}
https://github.com/MingsonZheng/go-core-demo
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