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Golang sync.Map原理分析

2024-02-01 03:03:48阅读 2

Golang sync.Map原理分析

GO语言内置的map

go语言内置一个map数据结构,使用起来非常方便,但是它仅支持并发的读,不支持并发的写,比如下面的代码:

在main函数中开启两个协程同时对m进行并发读和并发写,程序运行之后会报错:

package main

func main()  {
	m := make(map[int]int)

	go func()  {
		for {
			_ = m[1]
		}
	}()

	go func()  {
		for {
			m[2] = 2
		}
	}()

	select {}
}

在这里插入图片描述

改进

既然不可以并发的写,我们可以给map加一个读写锁,这样就不会有并发写冲突的问题了:

import "sync"

func main() {
	m := make(map[int]int)
	var lock sync.RWMutex

	go func() {
		for {
			lock.RLock()
			_ = m[1]
			lock.RUnlock()
		}
	}()

	go func() {
		for {
			lock.Lock()
			m[2] = 2
			lock.Unlock()
		}
	}()

	select {}
}

这种方式的实现非常简洁,但也存在一些问题,比如在map的数据非常大的情况下,一把锁会导致大并发的客户端共争一把锁。

sync.Map

sync.Map是官方在sync包中提供的一种并发map,使用起来非常简单,和普通map相比,只有遍历的方式有区别:

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func main() {
	var m sync.Map
	// 1. 写入
	m.Store("apple", 1)
	m.Store("banana", 2)

	// 2. 读取
	price, _ := m.Load("apple")
	fmt.Println(price.(int))

	// 3. 遍历
	m.Range(func(key, value interface{}) bool {
		fruit := key.(string)
		price := value.(int)
		fmt.Println(fruit, price)
		return true
	})

	// 4. 删除
	m.Delete("apple")

	// 5. 读取或写入
	m.LoadOrStore("peach", 3)
}

sync.Map是通过 read 和 dirty 两个字段将读写分离,读的数据存在只读字段 read 上,将最新写入的数据则存在 dirty 字段上。
读取时会先查询 read,不存在再查询 dirty,写入时则只写入 dirty。
读取 read 并不需要加锁,而读或写 dirty 都需要加锁,另外有 misses 字段来统计 read 被穿透的次数(被穿透指需要读 dirty 的情况),超过一定次数则将 dirty 数据同步到 read 上,对于删除数据则直接通过标记来延迟删除。

在map + 锁的基础上,它有着几个优化点:

  1. 空间换时间。 通过冗余的两个数据结构(read、dirty),实现加锁对性能的影响。
  2. 使用只读数据(read),避免读写冲突。
  3. 动态调整,miss次数多了之后,将dirty数据提升为read。
  4. double-checking。
  5. 延迟删除。 删除一个键值只是打标记,只有在提升dirty的时候才清理删除的数据。
  6. 优先从read读取、更新、删除,因为对read的读取不需要锁。

sync.Map原理分析

sync.Map的结构

sync.Map的实现在src/sync/map.go中,首先来看Map结构体:

type Map struct {
    // 当涉及到脏数据(dirty)操作时候,需要使用这个锁
    mu Mutex
    
    // read是一个只读数据结构,包含一个map结构,
    // 读不需要加锁,只需要通过 atomic 加载最新的指正即可
    read atomic.Value // readOnly
    
    // dirty 包含部分map的键值对,如果操作需要mutex获取锁
    // 最后dirty中的元素会被全部提升到read里的map去
    dirty map[interface{}]*entry
    
    // misses是一个计数器,用于记录read中没有的数据而在dirty中有的数据的数量。
    // 也就是说如果read不包含这个数据,会从dirty中读取,并misses+1
    // 当misses的数量等于dirty的长度,就会将dirty中的数据迁移到read中
    misses int
}

上述结构体中的read字段实际上是一个包含map的结构体,该结构体中的map是一个read map,对该map的访问不需要加锁,但是增加的元素不会被添加到这个map中,元素会被先增加到dirty中,后续才会被迁移到read只读map中。
readOnly结构体中还有一个amended字段,该字段是一个标志位,用来表示read map中的数据是否完整。假设当前要查找一个key,会先去read map中找,如果没有找到,会判断amended是否为true,如果为true,说明read map的数据不完整,需要去dirty map中找。

// readOnly is an immutable struct stored atomically in the Map.read field.
type readOnly struct {
    // m包含所有只读数据,不会进行任何的数据增加和删除操作 
    // 但是可以修改entry的指针因为这个不会导致map的元素移动
    m       map[interface{}]*entry
    
    // 标志位,如果为true则表明当前read只读map的数据不完整,dirty map中包含部分数据
    amended bool // true if the dirty map contains some key not in m.
}

entry

readOnly.mMap.dirty存储的值类型是*entry,它包含一个指针p, 指向用户存储的value值,结构如下:

type entry struct {
    p unsafe.Pointer // *interface{}
}

其中p对应着三种值:

  • p == nil: 键值已经被删除,且 m.dirty == nil,这个时候dirty在等待read的同步数据。
  • p == expunged: 键值已经被删除,但 m.dirty!=nil 且 m.dirty 不存在该键值(dirty已经得到了read的数据同步,原来为nil的值已经被标记为了expunged没有被同步过来)。
  • 除以上情况,则键值对存在,存在于 m.read.m 中,如果 m.dirty!=nil 则也存在于 m.dirty

下面是sync.Map的结构示意图:
在这里插入图片描述

查找

查找元素会调用Load函数,该函数的执行流程:

  1. 首先去read map中找值,不用加锁,找到了直接返回结果。
  2. 如果没有找到就判断read.amended字段是否为true,true说明dirty中有新数据,应该去dirty中查找,开始加锁。
  3. 加完锁以后又去read map中查找,因为在加锁的过程中,m.dirty可能被提升为m.read。
  4. 如果二次检查没有找到key,就去m.dirty中寻找,然后将misses计数加一。
// src/sync/map.go

// Load returns the value stored in the map for a key, or nil if no
// value is present.
// The ok result indicates whether value was found in the map.
func (m *Map) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) {
    // 首先从只读ready的map中查找,这时不需要加锁
    read, _ := m.read.Load().(readOnly)
    e, ok := read.m[key]
    
    // 如果没有找到,并且read.amended为true,说明dirty中有新数据,从dirty中查找,开始加锁了
    if !ok && read.amended {
        m.mu.Lock() // 加锁
        
       // 又在 readonly 中检查一遍,因为在加锁的时候 dirty 的数据可能已经迁移到了read中
        read, _ = m.read.Load().(readOnly)
        e, ok = read.m[key]
        
        // read 还没有找到,并且dirty中有数据
        if !ok && read.amended {
            e, ok = m.dirty[key] //从 dirty 中查找数据
            
            // 不管m.dirty中存不存在,都将misses + 1
            // missLocked() 中满足条件后就会把m.dirty中数据迁移到m.read中
            m.missLocked()
        }
        m.mu.Unlock()
    }
    if !ok {
        return nil, false
    }
    return e.load()
}

misses计数

misses计数是有上限的,如果misses次数达到m.dirty的长度,就开始迁移数据,程序会直接将m.dirty提升为m.read,然后将m.dirty置为nil,等到下次插入新数据的时候,程序才会把read map中的值全部复制给dirty map。

// src/sync/map.go

func (m *Map) missLocked() {
    m.misses++
    if m.misses < len(m.dirty) {//misses次数小于 dirty的长度,就不迁移数据,直接返回
        return
    }
    m.read.Store(readOnly{m: m.dirty}) //开始迁移数据
    m.dirty = nil   //迁移完dirty就赋值为nil
    m.misses = 0  //迁移完 misses归0
}

新增和更新

新增或者更新元素会调用Store函数,该函数的前面几个步骤与Load函数是一样的:

  1. 首先去read map中找值,不用加锁,找到了直接调用tryStore()函数更新值即可。
  2. 如果没有找到就开始对dirty map加锁,加完锁之后再次去read map中找值,如果存在就判断该key对应的entry有没有被标记为unexpunge,如果没有被标记,就直接调用storeLocked()函数更新值即可。
  3. 如果在read map中进行二次检查还是没有找到key,就去dirty map中找,找到了直接调用storeLocked()函数更新值。
  4. 如果dirty map中也没有这个key,说明是新加入的key,首先要将read.amended标记为true,然后将read map中未删除的值复制到dirty中,最后向dirty map中加入这个值。
// src/sync/map.go

// Store sets the value for a key.
func (m *Map) Store(key, value interface{}) {
   // 直接在read中查找值,找到了,就尝试 tryStore() 更新值
    read, _ := m.read.Load().(readOnly)
    if e, ok := read.m[key]; ok && e.tryStore(&value) {
        return
    }
    
    // m.read 中不存在
    m.mu.Lock()
    read, _ = m.read.Load().(readOnly)
    if e, ok := read.m[key]; ok {
        if e.unexpungeLocked() { // 未被标记成删除,前面讲到entry数据结构时,里面的p值有3种。1.nil 2.expunged,这个值含义有点复杂,可以看看前面entry数据结构 3.正常值
            
            m.dirty[key] = e // 加入到dirty里
        }
        e.storeLocked(&value) // 更新值
    } else if e, ok := m.dirty[key]; ok { // 存在于 dirty 中,直接更新
        e.storeLocked(&value)
    } else { // 新的值
        if !read.amended { // m.dirty 中没有新数据,增加到 m.dirty 中
            // We're adding the first new key to the dirty map.
            // Make sure it is allocated and mark the read-only map as incomplete.
            m.dirtyLocked() // 从 m.read中复制未删除的数据
            m.read.Store(readOnly{m: read.m, amended: true}) 
        }
        m.dirty[key] = newEntry(value) //将这个entry加入到m.dirty中
    }
    m.mu.Unlock()
}

在Store函数中我们用到了两个用于更新值的函数:tryStore以及storeLockedtryStore函数是先判断p有没有被标记为expunged(软删除),如果被标记了就直接返回false,如果没有被标记,就将p指向的值进行更新然后返回true。
storeLocked函数是直接将p指向的值进行更新。

// tryStore stores a value if the entry has not been expunged.
//
// If the entry is expunged, tryStore returns false and leaves the entry
// unchanged.
func (e *entry) tryStore(i *interface{}) bool {
	for {
		p := atomic.LoadPointer(&e.p)
		if p == expunged {
			return false
		}
		if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, p, unsafe.Pointer(i)) {
			return true
		}
	}
}
// storeLocked unconditionally stores a value to the entry.
//
// The entry must be known not to be expunged.
func (e *entry) storeLocked(i *interface{}) {
	atomic.StorePointer(&e.p, unsafe.Pointer(i))
}

将read map中的值复制到dirty map中:

m.dirtyLocked()函数用于将read map中的值复制到dirty map中:

func (m *Map) dirtyLocked() {
	if m.dirty != nil {
		return
	}

	read, _ := m.read.Load().(readOnly)
	m.dirty = make(map[interface{}]*entry, len(read.m))
	for k, e := range read.m {
		// 判断值是否被删除,被标记为expunged的值不会被复制到read map中
		if !e.tryExpungeLocked() {
			m.dirty[k] = e
		}
	}
}

// expunged实际上是一个指向空接口的unsafe指针
var expunged = unsafe.Pointer(new(interface{}))

func (e *entry) tryExpungeLocked() (isExpunged bool) {
	p := atomic.LoadPointer(&e.p)
	// 如果p为nil,就会被标记为expunged
	for p == nil {
		if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, nil, expunged) {
			return true
		}
		p = atomic.LoadPointer(&e.p)
	}
	return p == expunged
}

下面是对sync.Map进行读写操作的示意图,正常读写且read map中有数据,程序只会访问read map,而不会去加锁:

在这里插入图片描述

删除

删除会调用Delete函数,该函数的步骤如下:

  1. 首先去read map中找key,找到了就调用e.delete()函数删除。
  2. 如果在read map中没有找到值就开始对dirty map加锁,加锁完毕之后再次去read map中查找,找到了就调用e.delete()函数删除。
  3. 如果二次检查都没有找到key(说明这个key是被追加之后,还没有提升到read map中就要被删除),就去dirty map中删除这个key。
// src/sync/map.go

// Delete deletes the value for a key.
func (m *Map) Delete(key interface{}) {
    // 从 m.read 中开始查找
    read, _ := m.read.Load().(readOnly)
    e, ok := read.m[key]
    
    if !ok && read.amended { // m.read中没有找到,并且可能存在于m.dirty中,加锁查找
        m.mu.Lock() // 加锁
        read, _ = m.read.Load().(readOnly) // 再在m.read中查找一次
        e, ok = read.m[key]
        if !ok && read.amended { //m.read中又没找到,amended标志位true,说明在m.dirty中
            delete(m.dirty, key) // 删除
        }
        m.mu.Unlock()
    }
    if ok { // 在 m.read 中就直接删除
        e.delete()
    }
}
func (e *entry) delete() (hadValue bool) {
	for {
		p := atomic.LoadPointer(&e.p)
		// 已标记为删除
		if p == nil || p == expunged {
			return false
		}
		// 原子操作,e.p标记为nil,GO的GC会将对象自动删除
		if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, p, nil) {
			return true
		}
	}
}

key究竟什么时候会被删除

我们可以发现,如果read map中存在待删除的key时,程序并不会去直接删除这个key,而是将这个key对应的p指针指向nil。
在下一次read -> dirty的同步时,指向nil的p指针会被标记为expunged,程序不会将被标记为expunged的 key 同步过去。
等到再一次dirty -> read同步的时候,read会被dirty直接覆盖,这个时候被标记为expunged的key才真正被删除了,这就是sync.Map的延迟删除。

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