Go 1.9 sync.Map揭秘
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有并发问题的map
Go 1.9之前的解决方案
sync.Map
Load
Store
Delete
Range
sync.Map的性能
其它
在Go 1.6之前， 内置的map类型是部分goroutine安全的，并发的读没有问题，并发的写可能有问题。自go 1.6之后， 并发地读写map会报错，这在一些知名的开源库中都存在这个问题，所以go 1.9之前的解决方案是额外绑定一个锁，封装成一个新的struct或者单独使用锁都可以。
本文带你深入到sync.Map的具体实现中，看看为了增加一个功能，代码是如何变的复杂的,以及作者在实现sync.Map的一些思想。
有并发问题的map
官方的faq已经提到内建的map不是线程(goroutine)安全的。
首先，让我们看一段并发读写的代码,下列程序中一个goroutine一直读，一个goroutine一只写同一个键值，即即使读写的键不相同，而且map也没有"扩容"等操作，代码还是会报错。
package main
func main() {
m := make(map[int]int)
go func() {
for {
_ = m[1]
}
}()
go func() {
for {
m[2] = 2
}
}()
select {}
}
错误信息是: fatal error: concurrent map read and map write。
如果你查看Go的源代码: hashmap_fast.go#L118,会看到读的时候会检查hashWriting标志， 如果有这个标志，就会报并发错误。
写的时候会设置这个标志: hashmap.go#L542
1
h.flags |= hashWriting
hashmap.go#L628设置完之后会取消这个标记。
当然，代码中还有好几处并发读写的检查， 比如写的时候也会检查是不是有并发的写，删除键的时候类似写，遍历的时候并发读写问题等。
有时候，map的并发问题不是那么容易被发现, 你可以利用-race参数来检查。
Go 1.9之前的解决方案
但是，很多时候，我们会并发地使用map对象，尤其是在一定规模的项目中，map总会保存goroutine共享的数据。在Go官方blog的Go maps in action一文中，提供了一种简便的解决方案。
var counter = struct{
sync.RWMutex
m map[string]int
}{m: make(map[string]int)}
它使用嵌入struct为map增加一个读写锁。
读数据的时候很方便的加锁：
counter.RLock()
n := counter.m["some_key"]
counter.RUnlock()
fmt.Println("some_key:", n)
写数据的时候:
counter.Lock()
counter.m["some_key"]++
counter.Unlock()
sync.Map
可以说，上面的解决方案相当简洁，并且利用读写锁而不是Mutex可以进一步减少读写的时候因为锁带来的性能。
但是，它在一些场景下也有问题，如果熟悉Java的同学，可以对比一下java的ConcurrentHashMap的实现，在map的数据非常大的情况下，一把锁会导致大并发的客户端共争一把锁，Java的解决方案是shard, 内部使用多个锁，每个区间共享一把锁，这样减少了数据共享一把锁带来的性能影响，orcaman提供了这个思路的一个实现： concurrent-map，他也询问了Go相关的开发人员是否在Go中也实现这种方案，由于实现的复杂性，答案是Yes, we considered it.,但是除非有特别的性能提升和应用场景，否则没有进一步的开发消息。
那么，在Go 1.9中sync.Map是怎么实现的呢？它是如何解决并发提升性能的呢？
sync.Map的实现有几个优化点，这里先列出来，我们后面慢慢分析。
空间换时间。 通过冗余的两个数据结构(read、dirty),实现加锁对性能的影响。
使用只读数据(read)，避免读写冲突。
动态调整，miss次数多了之后，将dirty数据提升为read。
double-checking。
延迟删除。 删除一个键值只是打标记，只有在提升dirty的时候才清理删除的数据。
优先从read读取、更新、删除，因为对read的读取不需要锁。
下面我们介绍sync.Map的重点代码，以便理解它的实现思想。
首先，我们看一下sync.Map的数据结构：
type Map struct {
// 当涉及到dirty数据的操作的时候，需要使用这个锁
mu Mutex
// 一个只读的数据结构，因为只读，所以不会有读写冲突。
// 所以从这个数据中读取总是安全的。
// 实际上，实际也会更新这个数据的entries,如果entry是未删除的(unexpunged), 并不需要加锁。如果entry已经被删除了，需要加锁，以便更新dirty数据。
read atomic.Value // readOnly
// dirty数据包含当前的map包含的entries,它包含最新的entries(包括read中未删除的数据,虽有冗余，但是提升dirty字段为read的时候非常快，不用一个一个的复制，而是直接将这个数据结构作为read字段的一部分),有些数据还可能没有移动到read字段中。
// 对于dirty的操作哦需要加锁，因为对它的操作可能会有读写竞争。
// 当dirty为空的时候， 比如初始化或者刚提升完，下一次的写操作会复制read字段中未删除的数据到这个数据中。
dirty map[interface{}]*entry
// 当从Map中读取entry的时候，如果read中不包含这个entry,会尝试从dirty中读取，这个时候会将misses加一，
// 当misses累积到 dirty的长度的时候， 就会将dirty提升为read,避免从dirty中miss太多次。因为操作dirty需要加锁。
misses int
}
它的数据结构很简单，值包含四个字段：read、mu、dirty、misses。
它使用了冗余的数据结构read、dirty。dirty中会包含read中为删除的entries，新增加的entries会加入到dirty中。
read的数据结构是：
type readOnly struct {
m map[interface{}]*entry
amended bool // 如果Map.dirty有些数据不在中的时候，这个值为true
}
amended指明Map.dirty中有readOnly.m未包含的数据，所以如果从Map.read找不到数据的话，还要进一步到Map.dirty中查找。
对Map.read的修改是通过原子操作进行的。
虽然read和dirty有冗余数据，但这些数据是通过指针指向同一个数据，所以尽管Map的value会很大，但是冗余的空间占用还是有限的。
readOnly.m和Map.dirty存储的值类型是*entry,它包含一个指针p, 指向用户存储的value值。
type entry struct {
p unsafe.Pointer // *interface{}
}
p有三种值：
nil: entry已被删除了，并且m.dirty为nil
expunged: entry已被删除了，并且m.dirty不为nil，而且这个entry不存在于m.dirty中
其它： entry是一个正常的值
以上是sync.Map的数据结构，下面我们重点看看Load、Store、Delete、Range这四个方法，其它辅助方法可以参考这四个方法来理解。
Load
加载方法，也就是提供一个键key,查找对应的值value,如果不存在，通过ok反映：
func (m *Map) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) {
// 1.首先从m.read中得到只读readOnly,从它的map中查找，不需要加锁
read, _ := m.read.Load().(readOnly)
e, ok := read.m[key]
// 2. 如果没找到，并且m.dirty中有新数据，需要从m.dirty查找，这个时候需要加锁
if !ok && read.amended {
m.mu.Lock()
// 双检查，避免加锁的时候m.dirty提升为m.read,这个时候m.read可能被替换了。
read, _ = m.read.Load().(readOnly)
e, ok = read.m[key]
// 如果m.read中还是不存在，并且m.dirty中有新数据
if !ok && read.amended {
// 从m.dirty查找
e, ok = m.dirty[key]
// 不管m.dirty中存不存在，都将misses计数加一
// missLocked()中满足条件后就会提升m.dirty
m.missLocked()
}
m.mu.Unlock()
}
if !ok {
return nil, false
}
return e.load()
}
这里有两个值的关注的地方。一个是首先从m.read中加载，不存在的情况下，并且m.dirty中有新数据，加锁，然后从m.dirty中加载。
二是这里使用了双检查的处理，因为在下面的两个语句中，这两行语句并不是一个原子操作。
if !ok && read.amended {
m.mu.Lock()
虽然第一句执行的时候条件满足，但是在加锁之前，m.dirty可能被提升为m.read,所以加锁后还得再检查m.read，后续的方法中都使用了这个方法。
双检查的技术Java程序员非常熟悉了，单例模式的实现之一就是利用双检查的技术。
可以看到，如果我们查询的键值正好存在于m.read中，无须加锁，直接返回，理论上性能优异。即使不存在于m.read中，经过miss几次之后，m.dirty会被提升为m.read，又会从m.read中查找。所以对于更新／增加较少，加载存在的key很多的case,性能基本和无锁的map类似。
下面看看m.dirty是如何被提升的。 missLocked方法中可能会将m.dirty提升。
func (m *Map) missLocked() {
m.misses++
if m.misses < len(m.dirty) {
return
}
m.read.Store(readOnly{m: m.dirty})
m.dirty = nil
m.misses = 0
}
上面的最后三行代码就是提升m.dirty的，很简单的将m.dirty作为readOnly的m字段，原子更新m.read。提升后m.dirty、m.misses重置， 并且m.read.amended为false。
Store
这个方法是更新或者新增一个entry。
func (m *Map) Store(key, value interface{}) {
// 如果m.read存在这个键，并且这个entry没有被标记删除，尝试直接存储。
// 因为m.dirty也指向这个entry,所以m.dirty也保持最新的entry。
read, _ := m.read.Load().(readOnly)
if e, ok := read.m[key]; ok && e.tryStore(&value) {
return
}
// 如果`m.read`不存在或者已经被标记删除
m.mu.Lock()
read, _ = m.read.Load().(readOnly)
if e, ok := read.m[key]; ok {
if e.unexpungeLocked() { //标记成未被删除
m.dirty[key] = e //m.dirty中不存在这个键，所以加如m.dirty
}
e.storeLocked(&value) //更新
} else if e, ok := m.dirty[key]; ok { // m.dirty存在这个键，更新
e.storeLocked(&value)
} else { //新键值
if !read.amended { //m.dirty中没有新的数据，往m.dirty中增加第一个新键
m.dirtyLocked() //从m.read中复制未删除的数据
m.read.Store(readOnly{m: read.m, amended: true})
}
m.dirty[key] = newEntry(value) //将这个entry加入到m.dirty中
}
m.mu.Unlock()
}
func (m *Map) dirtyLocked() {
if m.dirty != nil {
return
}
read, _ := m.read.Load().(readOnly)
m.dirty = make(map[interface{}]*entry, len(read.m))
for k, e := range read.m {
if !e.tryExpungeLocked() {
m.dirty[k] = e
}
}
}
func (e *entry) tryExpungeLocked() (isExpunged bool) {
p := atomic.LoadPointer(&e.p)
for p == nil {
// 将已经删除标记为nil的数据标记为expunged
if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, nil, expunged) {
return true
}
p = atomic.LoadPointer(&e.p)
}
return p == expunged
}
你可以看到，以上操作都是先从操作m.read开始的，不满足条件再加锁，然后操作m.dirty。
Store可能会在某种情况下(初始化或者m.dirty刚被提升后)从m.read中复制数据，如果这个时候m.read中数据量非常大，可能会影响性能。
Delete
删除一个键值。
func (m *Map) Delete(key interface{}) {
read, _ := m.read.Load().(readOnly)
e, ok := read.m[key]
if !ok && read.amended {
m.mu.Lock()
read, _ = m.read.Load().(readOnly)
e, ok = read.m[key]
if !ok && read.amended {
delete(m.dirty, key)
}
m.mu.Unlock()
}
if ok {
e.delete()
}
}
同样，删除操作还是从m.read中开始， 如果这个entry不存在于m.read中，并且m.dirty中有新数据，则加锁尝试从m.dirty中删除。
注意，还是要双检查的。 从m.dirty中直接删除即可，就当它没存在过，但是如果是从m.read中删除，并不会直接删除，而是打标记：
func (e *entry) delete() (hadValue bool) {
for {
p := atomic.LoadPointer(&e.p)
// 已标记为删除
if p == nil || p == expunged {
return false
}
// 原子操作，e.p标记为nil
if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, p, nil) {
return true
}
}
}
Range
因为for ... range map是内建的语言特性，所以没有办法使用for range遍历sync.Map, 但是可以使用它的Range方法，通过回调的方式遍历。
func (m *Map) Range(f func(key, value interface{}) bool) {
read, _ := m.read.Load().(readOnly)
// 如果m.dirty中有新数据，则提升m.dirty,然后在遍历
if read.amended {
//提升m.dirty
m.mu.Lock()
read, _ = m.read.Load().(readOnly) //双检查
if read.amended {
read = readOnly{m: m.dirty}
m.read.Store(read)
m.dirty = nil
m.misses = 0
}
m.mu.Unlock()
}
// 遍历, for range是安全的
for k, e := range read.m {
v, ok := e.load()
if !ok {
continue
}
if !f(k, v) {
break
}
}
}
Range方法调用前可能会做一个m.dirty的提升，不过提升m.dirty不是一个耗时的操作。
sync.Map的性能
Go 1.9源代码中提供了性能的测试： map_bench_test.go、map_reference_test.go
我也基于这些代码修改了一下，得到下面的测试数据，相比较以前的解决方案，性能多少回有些提升，如果你特别关注性能，可以考虑sync.Map。
BenchmarkHitAll/*sync.RWMutexMap-4 20000000 83.8 ns/op
BenchmarkHitAll/*sync.Map-4 30000000 59.9 ns/op
BenchmarkHitAll_WithoutPrompting/*sync.RWMutexMap-4 20000000 96.9 ns/op
BenchmarkHitAll_WithoutPrompting/*sync.Map-4 20000000 64.1 ns/op
BenchmarkHitNone/*sync.RWMutexMap-4 20000000 79.1 ns/op
BenchmarkHitNone/*sync.Map-4 30000000 43.3 ns/op
BenchmarkHit_WithoutPrompting/*sync.RWMutexMap-4 20000000 81.5 ns/op
BenchmarkHit_WithoutPrompting/*sync.Map-4 30000000 44.0 ns/op
BenchmarkUpdate/*sync.RWMutexMap-4 5000000 328 ns/op
BenchmarkUpdate/*sync.Map-4 10000000 146 ns/op
BenchmarkUpdate_WithoutPrompting/*sync.RWMutexMap-4 5000000 336 ns/op
BenchmarkUpdate_WithoutPrompting/*sync.Map-4 5000000 324 ns/op
BenchmarkDelete/*sync.RWMutexMap-4 10000000 155 ns/op
BenchmarkDelete/*sync.Map-4 30000000 55.0 ns/op
BenchmarkDelete_WithoutPrompting/*sync.RWMutexMap-4 10000000 173 ns/op
BenchmarkDelete_WithoutPrompting/*sync.Map-4 10000000 147 ns/op
其它
sync.Map没有Len方法，并且目前没有迹象要加上 (issue#20680),所以如果想得到当前Map中有效的entries的数量，需要使用Range方法遍历一次， 比较X疼。
LoadOrStore方法如果提供的key存在，则返回已存在的值(Load)，否则保存提供的键值(Store)。