Go語言競態檢測——檢測程式碼在並行環境下可能出現的問題

Go語言程式可以使用通道進行多個 goroutine 間的資料交換，但這僅僅是資料同步中的一種方法。通道內部的實現依然使用了各種鎖，因此優雅程式碼的代價是效能。在某些輕量級的場合，原子存取（atomic包）、互斥鎖（sync.Mutex）以及等待組（sync.WaitGroup）能最大程度滿足需求。

本節只講解原子存取，互斥鎖和等待組將在接下來的兩節中講解。

當多執行緒並行執行的程式競爭存取和修改同一塊資源時，會發生競態問題。

下面的程式碼中有一個 ID 生成器，每次呼叫生成器將會生成一個不會重複的順序序號，使用 10 個並行生成序號，觀察 10 個並行後的結果。

競態檢測的具體程式碼：

package main

import (
    "fmt"
    "sync/atomic"
)

var (
    // 序列號
    seq int64
)

// 序列號生成器
func GenID() int64 {

// 嘗試原子的增加序列號
    atomic.AddInt64(&seq, 1)
    return seq
}

func main() {

    //生成10個並行序列號
    for i := 0; i < 10; i++ {
            go GenID()
    }

    fmt.Println(GenID())
}

程式碼說明如下：

• 第 10 行，序列號生成器中的儲存上次序列號的變數。
• 第 17 行，使用原子操作函數 atomic.AddInt64() 對 seq() 函數加 1 操作。不過這裡故意沒有使用 atomic.AddInt64() 的返回值作為 GenID() 函數的返回值，因此會造成一個競態問題。
• 第 25 行，迴圈 10 次生成 10 個 goroutine 呼叫 GenID() 函數，同時忽略 GenID() 的返回值。
• 第 28 行，單獨呼叫一次 GenID() 函數。

在執行程式時，為執行引數加入-race引數，開啟執行時（runtime）對競態問題的分析，命令如下：

go run -race racedetect.go

程式碼執行發生宕機，輸出資訊如下：

==================
WARNING: DATA RACE
Write at 0x000000f52f40 by goroutine 7:
  sync/atomic.AddInt64()
      C:/Go/src/runtime/race_amd64.s:276 +0xb
  main.GenID()
      racedetect.go:17 +0x4a

Previous read at 0x000000f52f40 by goroutine 6:
  main.GenID()
      racedetect.go:18 +0x5a

Goroutine 7 (running) created at:
  main.main()
      racedetect.go:25 +0x5a

Goroutine 6 (finished) created at:
  main.main()
      racedetect.go:25 +0x5a
==================
10
Found 1 data race(s)
exit status 66

根據報錯資訊，第 18 行有競態問題，根據 atomic.AddInt64() 的引數宣告，這個函數會將修改後的值以返回值方式傳出。下面程式碼對加粗部分進行了修改：

func GenID() int64 {
    // 嘗試原子的增加序列號
    return atomic.AddInt64(&seq, 1)
}

再次執行：

go run -race main.go

程式碼輸出如下：
10

沒有發生競態問題，程式執行正常。

本例中只是對變數進行增減操作，雖然可以使用互斥鎖（sync.Mutex）解決競態問題，但是對效能消耗較大。在這種情況下，推薦使用原子操作（atomic）進行變數操作。