背景
最近在看go的一些底层实现，其中印象最为深刻的是go语言创造者之一Rob Pike说过的一句话，不要通过共享内存通信，而应该通过通信来共享内存，其中这后半句话对应的实现是通道（channel），利用通道在多个协程（goroutine）之间传递数据。看到这里，我不禁产生了一个疑问，对于无状态数据之间的传递，通过通道保证数据之间并发安全没什么问题，但我现在有一个临界区或者共享变量，存在多线程并发访问。Go协程如何控制数据并发安全性？难道还有其它高招？带着这个疑问，我们看看Go是如何保证临界区共享变量并发访问问题。
下面我们通过一个经典的题目来验证线程和协程分别是如何解决的。
有三个线程/协程完成如下任务：1线程/协程打印1，2线程/协程打印2，3线程/协程打印3，依次交替打印15次。输出：123123123123123
java实现
java对于这个问题如何解决呢？首先要求依次输出，那么只要保证线程互相等待或者说步调一致即可实现上述问题。
如何实现步调一致呢？我知道的方法至少有三种，以下我通过三种实现方式来介绍Java线程是如何控制临界区共享变量并发访问。
Synchronized实现
通过Synchronized解决互斥问题; （wait/notifyAll）等待-通知机制控制多个线程之间执行节奏。实现方式如下：
public class Thread123 {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread123 testABC = new Thread123();
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
testABC.printA();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
testABC.printB();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
Thread thread3 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 5; i++) {
testABC.printC();
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
});
thread1.start();
thread2.start();
thread3.start();
thread1.join();
thread2.join();
thread3.join();
}
int flag = 1;
public synchronized void printA() throws InterruptedException {
while (flag != 1) {
this.wait();
}
System.out.print(flag);
flag = 2;
this.notifyAll();
}
private synchronized void printB() throws InterruptedException {
while (flag != 2) {
this.wait();
}
System.out.print(flag);
flag = 3;
this.notifyAll();
}
private synchronized void printC() throws InterruptedException {
while (flag != 3) {
this.wait();
}
System.out.print(flag);
flag = 1;
this.notifyAll();
}
}
看到这段实现可能大家都会有如下两个疑问：
“
这两者其实是有一定区别的，notify是随机的通知等待队列中的一个线程，而notifyAll是通知等待队列中所有的线程。可能我们第一感觉是即使使用了notifyAll也是只能有一个线程真正执行，但是在多线程编程中，所谓的感觉都蕴藏着风险，因为有些线程可能永远也不会被唤醒，这就导致即使满足条件也无法执行，所以除非你很清楚你的线程执行逻辑，一般情况下，不要使用notify。有兴趣的话，上面例子，可以测试下，你就可以得知为什么不建议你用notify。
”
“
利用while的原因，从根本上来说是java中的编程范式，只要涉及到wait等待，都需要用while。原因是因为当wait返回时，有可能判断条件已经发生变化，所以需要重新检验条件是否满足。
”
Lock实现
通过Lock解决多线程之间互斥问题; (await/signal)解决线程之间同步，当然这种实现方式和上一种效果是一样的。
public class Test {
// 打印方式跟上一种方式一样，这里不在给出。
private int flag = 1;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition1 = lock.newCondition();
private Condition condition2 = lock.newCondition();
private Condition condition3 = lock.newCondition();
private void print1() {
try {
lock.lock();
while (flag != 1) {
try {
this.condition1.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.print("A");
flag = 2;
this.condition2.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
private void print2() {
try {
lock.lock();
while (flag != 2) {
try {
this.condition2.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.print("B");
flag = 3;
this.condition3.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
private void print3() {
try {
lock.lock();
while (flag != 3) {
try {
this.condition3.await();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.print("C");
flag = 1;
this.condition1.signal();
}finally {
lock.unlock();
}
}
Semaphore实现
信号量获取和归还机制来保证共享数据并发安全，以下为部分核心代码；
// 以s1开始的信号量,初始信号量数量为1
private static Semaphore s1 = new Semaphore(1);
// s2、s3信号量,s1完成后开始,初始信号数量为0
private static Semaphore s2 = new Semaphore(0);
private static Semaphore s3 = new Semaphore(0);
static class Thread1 extends Thread {
@Override
public void run() {
try {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
s1.acquire();// s1获取信号执行,s1信号量减1,当s1为0时将无法继续获得该信号量
System.out.print("1");
s2.release();// s2释放信号，s2信号量加1（初始为0），此时可以获取B信号量
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
其实除了以上方法，用CountDownLatch实现多个线程互相等待应该也是可以解决的，这里不在过多举例。
Go实现
在用Go的实现过程中，主要用到了三个知识点。1、先后启用了三个goroutine对共享变量进行操作; 2、一把互斥锁产生的三个条件变量对三个协程进行控制; 3、使用signChannel目的是为了不让goroutine过早结束运行。
package main
import (
"log"
"sync"
)
func main() {
//声明共享变量
var flag = 1
//声明互斥锁
var lock sync.RWMutex
//三个条件变量，用于控制三个协程执行频率
cnd1 := sync.NewCond(&lock)
cnd2 := sync.NewCond(&lock)
cnd3 := sync.NewCond(&lock)
//创建一个通道，用于控制goroutine过早结束运行
signChannel := make(chan struct{}, 3)
//最大循环次数
max := 5
go func(max int) {
//本次goroutine执行完成之后释放
defer func() {
signChannel <- struct{}{}
}()
//循环执行
for i := 1; i <= max; i++ {
// 锁定本次临界环境变量修改
lock.Lock()
//通过for循环检测条件是否发生变化，类似于上面的while
for flag != 1 {
//等待
cnd1.Wait()
}
//输出
log.Print(flag)
//修改标识，释放锁、并对其它协程发送信号
flag = 2
lock.Unlock()
cnd2.Signal()
}
}(max)
go func(max int) {
defer func() {
signChannel <- struct{}{}
}()
for i := 1; i <= max; i++ {
lock.Lock()
for flag != 2 {
cnd2.Wait()
}
log.Print(flag)
flag = 3
lock.Unlock()
cnd3.Signal()
}
}(max)
go func(max int) {
defer func() {
signChannel <- struct{}{}
}()
for i := 1; i <= max; i++ {
lock.Lock()
for flag != 3 {
cnd3.Wait()
}
log.Print(flag)
flag = 1
lock.Unlock()
cnd1.Signal()
}
}(max)
<- signChannel
<- signChannel
<- signChannel
}
可以看出这种实现方式也是通过锁和条件变量来控制临界区，这跟线程中Lock、await/signal实现方式没什么区别。（这是初次学习Go中互斥锁这块知识时，根据自己理解，编写的一种实现方式，如有问题，请多指教或者留言指正）
总结
通过如上加锁和条件变量的机制解决了临界区变量并发安全问题，我们知道，之所以会如上出现并发问题，从源头上来说是硬件开发人员给软件开发人员挖的一个坑，为了提高并发性能，计算机出现了多核CPU，为了提高运算速度，CPU中又添加了高速缓存，这就导致多个CPU在做计算的时候缓存不能共享、交替执行，从而出现并发问题，无论线程、还是协程、解决思路很简单，通过加锁、禁用CPU缓存、公用内存。当然还存在编译优化带来的指令重排序问题，要想彻底解决必须从编程语言层面保证原子性 、有序性。无论如何处理，要想保证临界区变量的安全，总会存在一定性能损耗。本次就先扯到这里，如有问题请关注公众号、加我微信、一起讨论。
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