Go 语言 map 是并发安全的吗？

Go 语言中的 map 是一个非常常用的数据结构，它允许我们快速地存储和检索键值对。然而，在并发场景下使用 map 时，还是有一些问题需要注意的。

本文将探讨 Go 语言中的 map 是否是并发安全的，并提供三种方案来解决并发问题。

先来回答一下题目的问题，答案就是并发不安全。

看一段代码示例，当两个 goroutine 同时对同一个 map 进行写操作时，会发生什么？

package main

import "sync"

func main() {

    m := make(map[string]int)

    m["foo"] = 1

    var wg sync.WaitGroup

    wg.Add(2)

    go func() {

        for i := 0; i < 1000; i++ {

            m["foo"]++

        }

        wg.Done()

    }()

    go func() {

        for i := 0; i < 1000; i++ {

            m["foo"]++

        }

        wg.Done()

    }()

    wg.Wait()

}

在这个例子中，我们可以看到，两个 goroutine 将尝试同时对 map 进行写入。运行这个程序时，我们将看到一个错误：

fatal error: concurrent map writes

也就是说，在并发场景下，这样操作 map 是不行的。

为什么是不安全的

因为它没有内置的锁机制来保护多个 goroutine 同时对其进行读写操作。

当多个 goroutine 同时对同一个 map 进行读写操作时，就会出现数据竞争和不一致的结果。

就像上例那样，当两个 goroutine 同时尝试更新同一个键值对时，最终的结果可能取决于哪个 goroutine 先完成了更新操作。这种不确定性可能会导致程序出现错误或崩溃。

Go 语言团队没有将 map 设计成并发安全的，是因为这样会增加程序的开销并降低性能。

如果 map 内置了锁机制，那么每次访问 map 时都需要进行加锁和解锁操作，这会增加程序的运行时间并降低性能。

此外，并不是所有的程序都需要在并发场景下使用 map，因此将锁机制内置到 map 中会对那些不需要并发安全的程序造成不必要的开销。

在实际使用过程中，开发人员可以根据程序的需求来选择是否需要保证 map 的并发安全性，从而在性能和安全性之间做出权衡。

如何并发安全

接下来介绍三种并发安全的方式：

读写锁
分片加锁
sync.Map

加读写锁

第一种方法是使用读写锁，这是最容易想到的一种方式。在读操作时加读锁，在写操作时加写锁。

package main

import (

    "fmt"

    "sync"

)

type SafeMap struct {

    sync.RWMutex

    Map map[string]string

}

func NewSafeMap() *SafeMap {

    sm := new(SafeMap)

    sm.Map = make(map[string]string)

    return sm

}

func (sm *SafeMap) ReadMap(key string) string {

    sm.RLock()

    value := sm.Map[key]

    sm.RUnlock()

    return value

}

func (sm *SafeMap) WriteMap(key string, value string) {

    sm.Lock()

    sm.Map[key] = value

    sm.Unlock()

}

func main() {

    safeMap := NewSafeMap()

    var wg sync.WaitGroup

    // 启动多个goroutine进行写操作

    for i := 0; i < 10; i++ {

        wg.Add(1)

        go func(i int) {

            defer wg.Done()

            safeMap.WriteMap(fmt.Sprintf("name%d", i), fmt.Sprintf("John%d", i))

        }(i)

    }

    wg.Wait()

    // 启动多个goroutine进行读操作

    for i := 0; i < 10; i++ {

        wg.Add(1)

        go func(i int) {

            defer wg.Done()

            fmt.Println(safeMap.ReadMap(fmt.Sprintf("name%d", i)))

        }(i)

    }

    wg.Wait()

}

在这个示例中，我们定义了一个 SafeMap 结构体，它包含一个 sync.RWMutex 和一个 map[string]string。

定义了两个方法：ReadMap 和 WriteMap。在 ReadMap 方法中，我们使用读锁来保护对 map 的读取操作。在 WriteMap 方法中，我们使用写锁来保护对 map 的写入操作。

在 main 函数中，我们启动了多个 goroutine 来进行读写操作，这些操作都是安全的。

分片加锁

上例中通过对整个 map 加锁来实现需求，但相对来说，锁会大大降低程序的性能，那如何优化呢？其中一个优化思路就是降低锁的粒度，不对整个 map 进行加锁。

这种方法是分片加锁，将这个 map 分成 n 块，每个块之间的读写操作都互不干扰，从而降低冲突的可能性。

package main

import (

    "fmt"

    "sync"

)

const N = 16

type SafeMap struct {

    maps  [N]map[string]string

    locks [N]sync.RWMutex

}

func NewSafeMap() *SafeMap {

    sm := new(SafeMap)

    for i := 0; i < N; i++ {

        sm.maps[i] = make(map[string]string)

    }

    return sm

}

func (sm *SafeMap) ReadMap(key string) string {

    index := hash(key) % N

    sm.locks[index].RLock()

    value := sm.maps[index][key]

    sm.locks[index].RUnlock()

    return value

}

func (sm *SafeMap) WriteMap(key string, value string) {

    index := hash(key) % N

    sm.locks[index].Lock()

    sm.maps[index][key] = value

    sm.locks[index].Unlock()

}

func hash(s string) int {

    h := 0

    for i := 0; i < len(s); i++ {

        h = 31*h + int(s[i])

    }

    return h

}

func main() {

    safeMap := NewSafeMap()

    var wg sync.WaitGroup

    // 启动多个goroutine进行写操作

    for i := 0; i < 10; i++ {

        wg.Add(1)

        go func(i int) {

            defer wg.Done()

            safeMap.WriteMap(fmt.Sprintf("name%d", i), fmt.Sprintf("John%d", i))

        }(i)

    }

    wg.Wait()

    // 启动多个goroutine进行读操作

    for i := 0; i < 10; i++ {

        wg.Add(1)

        go func(i int) {

            defer wg.Done()

            fmt.Println(safeMap.ReadMap(fmt.Sprintf("name%d", i)))

        }(i)

    }

    wg.Wait()

}

在这个示例中，我们定义了一个 SafeMap 结构体，它包含一个长度为 N 的 map 数组和一个长度为 N 的锁数组。

定义了两个方法：ReadMap 和 WriteMap。在这两个方法中，我们都使用了一个 hash 函数来计算 key 应该存储在哪个 map 中。然后再对这个 map 进行读写操作。

在 main 函数中，我们启动了多个 goroutine 来进行读写操作，这些操作都是安全的。

有一个开源项目 orcaman/concurrent-map 就是通过这种思想来做的，感兴趣的同学可以看看。

sync.Map

最后，在内置的 sync 包中（Go 1.9+）也有一个线程安全的 map，通过将读写分离的方式实现了某些特定场景下的性能提升。

package main

import (

    "fmt"

    "sync"

)

func main() {

    var m sync.Map

    var wg sync.WaitGroup

    // 启动多个goroutine进行写操作

    for i := 0; i < 10; i++ {

        wg.Add(1)

        go func(i int) {

            defer wg.Done()

            m.Store(fmt.Sprintf("name%d", i), fmt.Sprintf("John%d", i))

        }(i)

    }

    wg.Wait()

    // 启动多个goroutine进行读操作

    for i := 0; i < 10; i++ {

        wg.Add(1)

        go func(i int) {

            defer wg.Done()

            v, _ := m.Load(fmt.Sprintf("name%d", i))

            fmt.Println(v.(string))

        }(i)

    }

    wg.Wait()

}

有了官方的支持，代码瞬间少了很多，使用起来方便多了。

在这个示例中，我们使用了内置的 sync.Map 类型来存储键值对，使用 Store 方法来存储键值对，使用 Load 方法来获取键值对。

在 main 函数中，我们启动了多个 goroutine 来进行读写操作，这些操作都是安全的。

总结

Go 语言中的 map 本身并不是并发安全的。

在多个 goroutine 同时访问同一个 map 时，可能会出现并发不安全的现象。这是因为 Go 语言中的 map 并没有内置锁来保护对map的访问。

尽管如此，我们仍然可以使用一些方法来实现 map 的并发安全。

一种方法是使用读写锁，在读操作时加读锁，在写操作时加写锁。

另一种方法是分片加锁，将这个 map 分成 n 块，每个块之间的读写操作都互不干扰，从而降低冲突的可能性。

此外，在内置的 sync 包中（Go 1.9+）也有一个线程安全的 map，它通过将读写分离的方式实现了某些特定场景下的性能提升。

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参考文章：

https://zhuanlan.zhihu.com/p/356739568

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