Go 并发实战 -- sync Map

前言

Java中线程安全的map主要有HashTable、ConcurrentHashMap,go中线程安全的Map就是sync.Map。在单协程访问时我们使用map就可以了,但是在多个协程并发访问时要使用协程安全的sync.Map,原生的map会报错。
常见的并发安全的map实现思路有HashTable那种直接锁死函数,性能比较差,或者说老ConcurrentHashMap那样分段加锁,亦或者像是像是新concurrenthashmap那种cas操作。
实际上sync.Map这三种思路都没选(因为多核情况下cache contention,reflect.New、sync.RWMutex都比较慢),sync.Map追求更好的性能和稳定性,实现思路主要面向多读少写的情况,所以写性能其实比较一般。

语法基础

先来看一下sync.Map的API:


image.png

使用上比较简单,我们就直接调用这些API函数就可以了,这里不过多赘述了,我们不用像是cond那样显示的给它一把锁,因为cond是涉及锁外部的一些条件所以才这么做的。

实现原理

整体结构&结构体构成

先看一下sync.Map的的整体结构组成:


image.png

然后根据上面那张图看一下sync.Map的结构体:

type Map struct {
    mu Mutex
    read atomic.Value // readOnly
    dirty map[interface{}]*entry
    misses int
}

mu 是map内部持有的锁,来同步协程之间的操作。
read 包含一部分map的协程安全的信息(无论有没有加锁)。read因为是一个原子变量,本身就是协程安全的。read中存储的entry可以在没有mu的情况下并发地更新,但是需要将更新之前要被删除的entry复制到dirty中,并在可以在持有mu的情况下恢复。
dirty 同样保存了一部分map的信息(操作的时候需要mu协同的部分)为了确保dirty可以快速升级为read map,它还包括read map中所有未删除的条目。
被删除的entry不存储在dirty中。clean map中的被删除的entry必须是可恢复的,在新值覆盖前存放到dirty中。
missed 是记录没命中read的次数。
entry 保存的是一个指针的值,指向数据,但是有两个特殊值nil&expunged,nil表示在read中被删除了,但是dirty中还在,所以能直接更新值,expunged代表数据在ditry中已经被删除了,更新值的时候要先把这个entry复制到dirty。

操作函数

关于操作函数这里就仅介绍下写入、读取、删除三个核心函数:
首先是写入:

// Store sets the value for a key.
func (m *Map) Store(key, value interface{}) {
    // 先检查是否已经存在该元素,存在的话,直接通过read中的entry来更新值;
    read, _ := m.read.Load().(readOnly)
    if e, ok := read.m[key]; ok && e.tryStore(&value) {
    // tryStore 通过atomic的cas来解决冲突,如果发现数据被置为expung,tryStore不写入数据,直接返回false
        return
    }
/**在read中不存在,先上锁:
1、double check发现read中存在的话,entry为expunged,尝试把expunged替换成nil,如果entry.p==expunged则复制到dirty中,再写入值;否则不用替换直接写入值。
2、dirty中存在:直接更新
3、dirty中不存在:如果dirty为空,那么需要将read复制到dirty中,最后再把新值写入到dirty中。复制的时候调用的是dirtyLocked(),在复制到dirty的时候,read中为nil的元素,会更新为expunged,并且不复制到dirty中。
**/
    m.mu.Lock()
    read, _ = m.read.Load().(readOnly)
    if e, ok := read.m[key]; ok {
        if e.unexpungeLocked() {
            m.dirty[key] = e
        }
        e.storeLocked(&value)
    } else if e, ok := m.dirty[key]; ok {
        e.storeLocked(&value)
    } else {
        if !read.amended {
            m.dirtyLocked()
            m.read.Store(readOnly{m: read.m, amended: true})
        }
        m.dirty[key] = newEntry(value)
    }
    m.mu.Unlock()
}

读取:

func (m *Map) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) {
// 1、先读read
    read, _ := m.read.Load().(readOnly)
    e, ok := read.m[key]
    if !ok && read.amended {
// 2、如果read中没有,则加锁读dirty
        m.mu.Lock()
        read, _ = m.read.Load().(readOnly)
        e, ok = read.m[key]
        if !ok && read.amended {
            e, ok = m.dirty[key]
// 调用missLocked,递增misses,如果misses>len(dirty),那么把dirty提升为read,清空原来的dirty
            m.missLocked()
        }
        m.mu.Unlock()
    }
    if !ok {
        return nil, false
    }
    return e.load()
}

删除:

// Delete deletes the value for a key.
func (m *Map) Delete(key interface{}) {
// 检查read中是否存在
    read, _ := m.read.Load().(readOnly) 
    e, ok := read.m[key]
    if !ok && read.amended {
        m.mu.Lock() // 上锁
        read, _ = m.read.Load().(readOnly)
        e, ok = read.m[key] // 双检查
        if !ok && read.amended {
            delete(m.dirty, key) // 如果没有直接,删除dirty中的数据
        }
        m.mu.Unlock()
    }
    if ok {
        e.delete() // 如果存在,read中的pointer置为nil,并且删除dirty数据
    }
}

关于sync.Map暂时先介绍这些,关于更加详细实现大家可以直接对照源码看一下:src/sync/map.go

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