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本文先探究并发问题#xff0c;再探究锁和原子操作解决问题的方式#xff0c;最后进行对比。
并发问题
首先#xff0c;我们看一下程序
num该程序表面看上去一步就可以运行完成#xff0c;但是实际上#xff0c;在计算机中是分三步运行的#xff0c;如下…原子操作和锁
本文先探究并发问题再探究锁和原子操作解决问题的方式最后进行对比。
并发问题
首先我们看一下程序
num该程序表面看上去一步就可以运行完成但是实际上在计算机中是分三步运行的如下图 该程序分为三个步骤
①读取当前值首先程序需要读取变量 i 的当前值。过程为将从内存中加载 i’的值到CPU寄存器中
② 增加值读取当前值将存在寄存器中的值加1而非在 i 的内存地址操作
③ 写回新值将新的值写回到变量 i 所在的内存地址
假设 i 的初始值为0调用两个协程运行 i理想情况下i会变成2
运行过程中会有六步操作操作的不同顺序也影响着最后的结果
情况1 两个协程依次运行结果得到的是 2完美运行
情况2 当两个协程运行的顺序按上图运行得到的结果是1结果明显错误。
这就是并发过程中引起的错误。当多个goroutine在没有相互同步的情况下访问某个共享的资源同时对该资源进行读写时就会处于相互竞争的状态这就是并发中的资源竞争。
针对以上问题有两种解决方案一种是锁另一种是原子操作
锁
生活中的例子
想象一个场景只有一间厕所但有两个人都想上厕所显然厕所一个时刻只运行一个人使用。
第一个人使用前先将门锁上以防外面的人进来结束后再把门锁打开然后第二个人在锁门上厕所开锁。
程序改进
针对以上num程序我们可以类比操作。
第一个协程操作前上锁然后进行num操作运行结束后解锁。
接着第二个程序才能获取锁再运行num运行结束后解锁。
go代码如下
var mu sync.Mutexfunc mutexAdd(){mu.lock()nummu.unlock()
}资源竞争
当多个协程进行资源竞争的时候在一个协程获取到锁的时候其余的协程进入阻塞态等待资源释放。当该协程运行结束后调度系统将阻塞队列其中的一个协程拿出来去获取锁这其中涉及到切换上下文操作需要消耗一定资源时间。
原子操作
原子操作即不会被打断的操作。
原子操作是不可分割的在执行完毕之前不会被其他任务或事物中断。 如上图i可以分为三个操作这三个操作均为原子操作。原子操作必须执行完毕后才能执行下一个操作。
有没有一种可能把这三个原子操作合成为一个原子操作
可以的在go的标准库atomic中提供了一系列原子操作其中有atomic.AddInt64(num,1),可以看作将num中的三步合并成了一步原子操作。
当num变成一步原子操作后便不会出现上述提出的并发问题。因为原子操作是必须一步完成的其中的过程不能和其他程序交错进行。
go代码如下
func atomicAdd(){atomic.AddInt64(num,1)
}运行对比
单个协程
单个协程在原子操作和加锁操作下的对比 经过对比可以发现加锁操作步骤多耗损资源多运行效率没有原子操作高
多个协程
假设有两个协程同时运行协程G1先运行协程G2等待。以下分别是原子操作和加锁操作的区别
原子操作当协程G1运行结束后G2操作 在g1运行的时候g2循环等待g1运行结束g2开始执行程序结束
加锁操作当协程G1运行结束后G2操作 在g1运行的时候g2获取锁失败进入阻塞队列g1解锁后调度系统调度协程g2g2获取锁进入临界区切换上下文环境执行程序程序执行结束后解锁退出临界区
优势分析
原子操作优势
原子操作适用于对共享变量执行非常简单的操作如递增、递减、设置标志位等。它们的优势在于性能高在硬件级别上执行无需上下文切换或内核调度
原子操作劣势
原子操作无法处理复杂的操作序列也不能实现多个共享变量之间的复合操作。它们通常不能替代锁特别是在需要执行多个步骤或操作复杂数据结构时。
锁操作优势
锁适用于需要对多个共享变量执行复杂操作的场景允许实现复杂的并发算法并确保一致性。
锁操作劣势
而锁操作伴随着上下文切换和内核调度这会导致一些性能开销。如果不正常使用还容易导致死锁和竞态条件
针对以上自增操作显然原子操作更占优势。
