比較 Java 和 Golang 在撰寫併發時處理共享變數的差異

在寫 concurrency 程式時，通常會用 lock、synchronized 等機制保護存取共享資源的程式片段，確保一次只有一個 thread 可以使用這些共享資源。

但若是共享資源不是一個程式片段而僅僅只是一個變數，使用 lock、synchronized 等機制就會顯得太笨重，甚至拖慢效能。

以下面的 Golang 程式來說：

func BenchmarkLocke(b *testing.B) {
	for n := 0; n < b.N; n++ {
		a := 0
		var l sync.Mutex
		for i := 0; i < 10000; i++ {
			l.Lock()
			a++
			l.Unlock()
		}
	}
}

profiling 這段程式以後會發現 CPU 時間幾乎都花在 Lock 上面，下為 profiling 結果：

為了提升效能，保護單一變數在多個 thread 共用會用 lock-free 等手法。 而在撰寫 concurrency code 處理共享變數問題時，有三件事要注意：原子性 (atomicity)、可見性 (visibility) 以及有序性 (ordering)。

本文就這三個議題，分別探討 Java 和 Golang 提供那些機制來處理，在此之前，我們先介紹一下這三個議題：

# 原子性

共用變數的操作需確保不會被中斷。一行程式碼可能由多個 cpu 指令組成，例如說 i++，就是由從變數取值，值加一，賦值回變數三個 cpu 指令。若是兩個 thread 同時執行 i++ 時，cpu 指令執行順序可能是這樣交錯執行：

thread1 讀值 100  
thread2 讀值 100  
thread1 加一 101  
thread2 加一 101  
thread1 賦值 101  
thread2 賦值 101

因此會得到一個錯誤的結果，i=101。

一個簡單的 java 範例如下

public class Atomic {
    public static void main(String []args) throws InterruptedException {
        int times = 100000;

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1000);
        Counter counter = new Counter();

        for (int i=0;i<times;i++) {
            executorService.execute(new Thread(() -> {
                counter.i++;
            }));
        }

        Thread.sleep(20000);
        executorService.shutdown();
        System.out.println(counter.i);
    }

    static class Counter {
        int i;
    }
}

第 16 行預期應該顯示 100000，但實際執行往往少於 100000。這就是因為共享變數的存取沒有保持一致性導致的。

# 可見性

在多核環境，每個 CPU 都會有專屬自己的 cache，原本的用意是用來減少直接跟 memory 溝通的次數以提升效能。下圖即為一個簡單的 cpu架構示意圖。

這此架構下，同一個變數可能存在多個 cpu 快取中，若是 cpu1 更新了變數而 cpu2 毫無所知的話，cpu2 上的 thread 就會一直使用舊的值。
下面是一段 java 範例：

public static void main(String []args) throws InterruptedException {
    Flag flag = new Flag();
    Thread t1 = new Thread(()->{
        while(flag.bool) {
            // do nothing
        }
    });

    t1.start();

    Thread t2 = new Thread(()->{
        flag.bool = false;
    });
    t2.start();

    t1.join();

    System.out.println("Unreachable");
}

static class Flag {
    boolean bool = true;
}

即使 thread 2 已經將 flag 更新為 false，但 thread 1 仍有一定機率會一直卡在 for loop 無法逃脫，因為 thread 1 沒看到 thread 2 對 flag 的更新。

# 有序性

編譯器在把程式碼轉成 cpu 指令的時候有時會因為效能因素重排指令，這會導致實際 cpu 執行指令的順序和你想像的不太一樣。例如下面三行 code：

a = 1  
b = 2  
c = a + b

第三行相依前兩行 code，因此 compile 只會保證前兩行在第三行前執行，亦即m是實際上執行順序可能會是

b = 2  
a = 1  
c = a + b

這在 signle thread 是沒問題的，但在 multi thread 情況下亂序可能會造成你無法理解的 bug。以下是一個簡單的 Java code 範例：

private static int a=0,b=0;
public static void main(String[] args) throws Exception {
    int i=0;
    for (; ;) {
        i++;
        Thread t1 = new Thread(()->{
            a=2;
            b=1;
        });
        t1.start();

        if (b==1 && a==0) {
            String err = String.format("%th round, Non thread safe!", i);
            System.err.println(err);
            break;
        }

        t1.join();
    }
}

是很有可能進入進入 12~16 行的 if condition 的，因為對 thread t1 而言 a=2 和 b=1 兩件事沒有 happen-before 關係，所以不會保證順序。

上面提到的三個 concurrency 問題，其中可見性 (visibility) 和有序性(ordering) 通常一起通稱為 happen-before 原則。

在實作 singleton 模式時常使用 “Double-checked locking” 來優化效能，此時若沒有意識到 happen-before 便會遇到問題：即使 singleton 物件非為 null 也不保證該物件處於初始化完成的狀態，因此有可能會讓系統異常，可參考 wiki 對此異常的描述文章。

接下來看看 Java 和 Golang 怎麼處理這些問題。

# Java

# Java 如何處理原子性？

Java 在 java.util.concurrent.atomic 裡面提供了原子性操作相關的 tool kit，用來保證變數的操作。例如可以用 AtomicInteger 來處理對共享變數的操作，如此即可保證原子性不被破壞，得到正確的結果，修改過如下

public static void main(String []args) throws InterruptedException {
    int times = 100000;

    ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(1000);
    Counter counter = new Counter();

    for (int i=0;i<times;i++) {
        executorService.execute(new Thread(() -> {
            counter.i.incrementAndGet();
        }));
    }

    Thread.sleep(20000);
    executorService.shutdown();
    System.out.println(counter.i.get());
}

static class Counter {
    AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
}

# Java 如何實作 happen-before？

Java 提供了 volatile 關鍵字用來處理 happen before，一但變數在宣告時加上 volatile，對該變數的存取即保證可見性和有序性（注意，原子性不在保證內）。以下便是將開頭講的兩個可見性和有序性的例子，使用 volatile 關鍵字宣告共有變數，便可以保證 happen-before。

以開頭第二個可見性的例子來說：

public static void main(String []args) throws InterruptedException {
    Flag flag = new Flag();
    Thread t1 = new Thread(()->{
        while(flag.bool) {
            // do nothing
        }
    });

    t1.start();

    Thread t2 = new Thread(()->{
        flag.bool = false;
        System.out.println(flag.bool);
    });
    t2.start();

    System.out.println(flag.bool);
    t1.join();

    System.out.println("Unreachable");
}

static class Flag {
    volatile boolean  bool = true;
}

當 flag 使參數使用 volatile 修飾後，thread t1 會馬上感知到 thread t2 在第 12 行對 flag 的異動，到 main memory 讀取最新的值，然後逃離迴圈。

而以有序性的例子來看 volatile：

private volatile int a=0,b=0;
public static void main(String[] args) throws Exception {
    int i=0;
    for (; ;) {
        i++;
        Thread t1 = new Thread(()->{
            a=2;
            b=1;
        });
        t1.start();

        if (b==1 && a==0) {
            String err = String.format("%th round, Non thread safe!", i);
            System.err.println(err);
            break;
        }

        t1.join();
    }
}

加入 a, b 兩個變數加入 volatile 修飾後，即可確保 a 之前的 code 一定會在 a 之前執行，b 之前的 code 一定會在 b 之前執行，因此 thread t1 的 CPU 指令會保證執行順序一定是 a=2, b=1。而對 main thread 而言，就永遠不會看到 b=1, a=0 這種亂序行為了。

# Golang

# Golang 如何處理原子性？

Golang 也有提供自己的 atomic tool kit，還記得最開頭使用 Lock 的 Golang 範例嗎? 可以改成用 atomic 來處理如下：

func BenchmarkFib10(b *testing.B) {
	for n := 0; n < b.N; n++ {
		a := int64(0)
		for i := 0; i < 10000; i++ {
			atomic.AddInt64(&a, 1)
		}
	}
}

可以用 atomic 替換掉 Lock，同時達到原子性效果。

附上兩種寫法的 benchmark:

BenchmarkLock-8 9266 134075 ns/op 8 B/op 1 allocs/op  
BenchmarkAtomic-8 19225 62309 ns/op 8 B/op 1 allocs/op

相較之下可以看到 Lock 的確很吃效能。下圖附上對 atomic 範例的 profiling

可以看到 cpu 並沒有花太多時間在處理同步上。

# Golang 如何實作 happen-before？

根據 Golang 官方 blog 說明了下面幾種情況 Golang 保證 happen before：

但美中不足的是 Golang 並沒有像 Java 的 volatile 可以保證某個變數的 happen before。

已可見性來說，下面這段 code:

func main() {

	flag := true

	go func() {
		for flag {
			continue
		}
		fmt.Printf("Never end\n")
	}()

	flag = false

	for {
		continue
	}
}

第 5~10 行的 goroutine 會卡在無窮迴圈。

再說有序性，官網 blog 即有提到下面這段 code 不是安全的 concurrncy code:

var a, b int

func f() {
	a = 1
	b = 2
}

func g() {
	print(b)
	print(a)
}

func main() {
	go f()
	g()
}

這段 code 是有可能先 print 2 再 print 0，因此跨 goroutine 的共有變數使用時，若遇到類似上述的 code，務必要用 lock 等有保證 happen before 的機制保護。

為了確保有序性和可見性，若真需要共享變數還是必須在變數前後用笨重的 Lock 保護。但高效的 Golang 怎麼會用這麼低效的解法？

在這篇官網的 blog 中我們或許可以找到更適合 Golang 的解法。文章中提到

Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.

這也是 Golang 設計 concurrency model 的初衷，使用 CSP model。因此我認為用 channel 來處理可見性和有序性的問題或許是比較 Golang 的做法（如果你還有印象的話，Golang 在 channel 的溝通是有保證 happen-before 的）。

如可見性範例可以用 chan 在不同的 goroutine 間傳遞 flag 的值：

func main() {

	done := make(chan bool)

	go func(done <-chan bool) {
		flag := true
		for flag {
			select {
			case flag = <-done:
				break
			}
		}
		fmt.Printf("End of goroutine\n")

	}(done)

	done <- false
	close(done)

	for {
		continue
	}
}

而有序性範例也可以用 chan 來傳遞 a, b 的值，因此寫起來可能會像下面這段 code

var a, b int

func f(done <-chan interface{}) (<-chan int, <-chan int) {
	chana := make(chan int)
	chanb := make(chan int)
	go func() {
		defer close(chana)
		defer close(chanb)

		chana <- 1
		chanb <- 2
		for {
			select {
			case <-done:
				return
			}
		}
	}()

	return chana, chanb
}

func g() {
	print(b)
	print(a)
}

func main() {
	done := make(chan interface{})
	defer close(done)

	chana, chanb := f(done)
	a = <-chana
	b = <-chanb
	g()
}

# 結論

撰寫 concurrency 的程式最困難的地方是，很多 bug 都是不確定的，無法複製的，這加大了 debug 的難度。

深入瞭解 concurrency 的議題，以及你寫的每一行 code 背後是如何運行的，可以很大程度的幫助我們避免做錯事。同時，了解這些可以讓我們更體會語言的設計理念，也能幫助我們更好的撰寫符合該語言特性的安全高效 concurrency 程式。

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标签

#Back-end #java #golang #volatile #concurrency

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