Go:从一个data race问题学到的
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2022-06-09 05:38
前几天我在学习内存屏障[1]的时候搜到一篇文章「Golang Memory Model[2]」,其中在介绍 CPU 缓存一致性的时候提到一个例子,带给我一些困惑,本文记录下解惑过程。
既然是在介绍 CPU 缓存一致性的时候举的例子,那么理所应当与此有关,看代码:
package main
import "time"
func main() {
running := true
go func() {
println("start thread1")
count := 1
for running {
count++
}
println("end thread1: count =", count)
}()
go func() {
println("start thread2")
for {
running = false
}
}()
time.Sleep(time.Hour)
}
当我们通过「go run main.go」运行代码的时候,会发现第一个 goroutine 永远不会结束,就好像 running = false 没有生效一样。对此,文章把原因归结为 CPU 缓存一致性中的线程可见性问题,可是我前后看了几遍也没有看出个所以然来。细心的小伙伴不难发现代码存在 data race 问题:多个 goroutine 并发读写 running 变量,不过当我们通过「go run -race main.go」再次运行代码的时候,有趣的事情发生了,第一个 goroutine 正常结束了!
理论上,既然存在 data race 问题,那么出现什么结果都可能,但是好奇心驱使我继续研究了一下,这次使用的工具是 SSA[3],它可以展现出从源代码到汇编的过程中,编译器都做了哪些工作,并且可以把结果生成 html 文件:
shell> GOSSAFUNC=main go build -gcflags="-N -l" ./main.go
SSA 工具最方便的地方是它可以把源代码和汇编通过颜色对应起来:
说明:Golang 中的汇编一般指 Plan9 汇编,推荐阅读「plan9 assembly 完全解析[4]」。
不过为什么「running = false」这行源代码没有对应的汇编呢?这是因为 SSA 的工作单位是函数,上面的结果是 main 函数的结果,而「running = false」实际上属于 main 函数里第 2 个 goroutine,实际上就相当于 main.func2,重新运行 SSA:
shell> GOSSAFUNC=main.func2 go build -gcflags="-l -N" ./main.go
如此一来就能看到「running = false」这行源代码对应的汇编了:
其中,PCDATA 是编译器插入的和 GC 相关的信息,在本例中可以忽略,剩下的几个 JMP 跳来跳去,好像是个圈哦,就是一个空 for,和「running = false」完全没有关系。
不过既然带有 race 检测的代码工作正常,那么不妨一并生成 SSA 看看结果如何:
shell> GOSSAFUNC=main.func2 go build -race -gcflags="-l -N" ./main.go
结果如下图所示,出了 JMP,还有 MOV 操作,正好对应「running = false」:
如此一来,我们的困惑终于解开了。问题代码中的循环之所以不会结束,和所谓的「CPU 缓存一致性中的线程可见性问题」并没有任何关系,只是因为编译器把部分代码看成死代码,直接优化掉了,这个过程称之为「Dead code elimination[5]」,不过当激活 race 检测的时候,编译器并没有执行死代码的优化,所以程序看上去又正常了。
最后,推荐一篇文章,和本文的例子相似:谈谈 Golang 中的 Data Race[6](及续[7])。
参考资料
内存屏障: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%86%85%E5%AD%98%E5%B1%8F%E9%9A%9C
[2]Golang Memory Model: https://fanlv.wiki/2020/06/09/golang-memory-model/
[3]SSA: https://github.com/golang/go/blob/master/src/cmd/compile/internal/ssa/README.md
[4]plan9 assembly 完全解析: https://github.com/cch123/golang-notes/blob/master/assembly.md
[5]Dead code elimination: https://en.wikipedia.org/wiki/Dead_code_elimination
[6]谈谈 Golang 中的 Data Race: https://ms2008.github.io/2019/05/12/golang-data-race/
[7]续: https://ms2008.github.io/2019/05/22/golang-data-race-cont/
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