Go 语言实现安全计数的若干种方法-go语言使用

本文转载自微信公众号「Golang来啦」，作者Seekload。转载本文请联系Golang来啦公众号。

原文如下：

有一天，我正研究共享计数器的简单经典实现，实现方式使用的是 C++ 中的互斥锁，这时，我非常想知道还有哪些线程安全的实现方式。我通常使用 Go 来满足自己的好奇心，本文就是一篇如何用 goroutine-safe 的方式实现计数器的方法汇总。

不要这样做

我们先从非安全的实现方式开始：

type NotSafeCounter struct { 
 number uint64 
} 
 
func NewNotSafeCounter() Counter { 
 return &NotSafeCounter{0} 
} 
 
func (c *NotSafeCounter) Add(num uint64) { 
 c.number = c.number + num 
} 
 
func (c *NotSafeCounter) Read() uint64 { 
 return c.number 
}

代码上没什么特别的地方。我们来测试下结果正确与否：创建 100 个 goroutine，其中三分之二的 goroutine 对共享计数器加一。

func testCorrectness(t *testing.T, counter Counter) { 
 wg := &sync.WaitGroup{} 
 for i := 0; i < 100; i++ { 
  wg.Add(1) 
  if i%3 == 0 { 
   go func(counter Counter) { 
    counter.Read() 
    wg.Done() 
   }(counter) 
  } else if i%3 == 1 { 
   go func(counter Counter) { 
    counter.Add(1) 
    counter.Read() 
    wg.Done() 
   }(counter) 
  } else { 
   go func(counter Counter) { 
    counter.Add(1) 
    wg.Done() 
   }(counter) 
  } 
 } 
 
 wg.Wait() 
 
 if counter.Read() != 66 { 
  t.Errorf("counter should be %d and was %d", 66, counter.Read()) 
 } 
}

测试的结果是不确定的，有时候能正确运行，有时候会出现类似这样的错误：

counter_test.go:34: counter should be 66 and was 65

经典实现方式

实现一个正确计数器的传统方式是使用互斥锁，保证任意时间只有一个协程操作计数器。Go 语言的话，我们可以使用 sync 包。

type MutexCounter struct { 
 mu     *sync.RWMutex 
 number uint64 
} 
 
func NewMutexCounter() Counter { 
 return &MutexCounter{&sync.RWMutex{}, 0} 
} 
 
func (c *MutexCounter) Add(num uint64) { 
 c.mu.Lock() 
 defer c.mu.Unlock() 
 c.number = c.number + num 
} 
 
func (c *MutexCounter) Read() uint64 { 
 c.mu.RLock() 
 defer c.mu.RUnlock() 
 return c.number 
}

现在测试结果每次都能通过且都是正确的。

使用 channel

锁是一种保证同步的低级原语。Go 也提供了更高级实现方式 - channel。

关于 mutexe 和 channel，现在有太多类似这样的讨论：“mutexe vs channel ”、“哪个更好”、“我应当使用哪一个”等。其中一些讨论非常有趣且有益，但这并不是本文讨论的重点。

我们使用 channel 来实现协程安全的计数器，使用 channel 充当队列，对计数器的操作(读、写)都缓存在队列中，按顺序操作。具体的操作通过传递 func() 实现。创建时，计数器会衍生出一个 goroutine 并且按顺序执行队列里的操作。

下面是计数器的定义：

type ChannelCounter struct { 
 ch     chan func() 
 number uint64 
} 
 
func NewChannelCounter() Counter { 
 counter := &ChannelCounter{make(chan func(), 100), 0} 
 go func(counter *ChannelCounter) { 
  for f := range counter.ch { 
   f() 
  } 
 }(counter) 
 return counter 
}

当一个协程调用 Add()，就往队列里面添加一个写操作：

func (c *ChannelCounter) Add(num uint64) { 
 c.ch <- func() { 
  c.number = c.number + num 
 } 
}

当一个协程调用 Read()，就往队列里面添加一个读操作：

func (c *ChannelCounter) Read() uint64 { 
 ret := make(chan uint64) 
 c.ch <- func() { 
  ret <- c.number 
  close(ret) 
 } 
 return <-ret 
}

我真正喜欢这个实现的地方在于，这种按顺序执行的方式非常的清晰。

原子方式

我们甚至可以用更低级别的原语，利用 sync/atomic 包执行原子操作。

type AtomicCounter struct { 
 number uint64 
} 
 
func NewAtomicCounter() Counter { 
 return &AtomicCounter{0} 
} 
 
func (c *AtomicCounter) Add(num uint64) { 
 atomic.AddUint64(&c.number, num) 
} 
 
func (c *AtomicCounter) Read() uint64 { 
 return atomic.LoadUint64(&c.number) 
}

比较和交换

或者，我们可以使用非常经典的原语：CAS，对计时器进行计数。

func (c *CASCounter) Add(num uint64) { 
 for { 
  v := atomic.LoadUint64(&c.number) 
  if atomic.CompareAndSwapUint64(&c.number, v, v+num) { 
   return 
  } 
 } 
} 
 
func (c *CASCounter) Read() uint64 { 
 return atomic.LoadUint64(&c.number) 
}

float 类型该如何实现

在我探索学习过程中，看到一个非常棒的视频 - 《Prometheus: Designing and Implementing a Modern Monitoring Solution in Go[1]》。在视频的最后，讨论了如何实现浮点数计数器。到目前为止，所有的技术都适用于浮点数，除了 sync/atomic 包，还没提供浮点数的原子操作。

在视频里，Bj?rn Rabenstein 介绍了如何通过将浮点数存储为 uint64 并使用 math.Float64bits 和 math.Float64frombits 在 float64 和 uint64 之间进行转换来解决此问题。

type CASFloatCounter struct { 
 number uint64 
} 
 
func NewCASFloatCounter() *CASFloatCounter { 
 return &CASFloatCounter{0} 
} 
 
func (c *CASFloatCounter) Add(num float64) { 
 for { 
  v := atomic.LoadUint64(&c.number) 
  newValue := math.Float64bits(math.Float64frombits(v) + num) 
  if atomic.CompareAndSwapUint64(&c.number, v, newValue) { 
   return 
  } 
 } 
} 
 
func (c *CASFloatCounter) Read() float64 { 
 return math.Float64frombits(atomic.LoadUint64(&c.number)) 
}

最后

这篇文章是共享计数器的实现汇总。这是我好奇心驱使的结果，此外对并发也有一个基本的了解。如果你有其他实现共享计数的方式，请告诉我。

本文提到的实现方式对应的代码可以看这里[2]，此外还包括运行用例和基准测试。

参考资料

[1]Prometheus: Designing and Implementing a Modern Monitoring Solution in Go: https://www.youtube.com/watch?v=1V7eJ0jN8-E

[2]看这里: https://github.com/brunocalza/sharedcounter

via:https://brunocalza.me/there-are-many-ways-to-safely-count/

作者：BRUNO CALZA

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