Go语言中常见100问题-#69 Creating data races with append

append操作可能会产生数据竞争

在前一节内容Go语言中常见100问题-#68 Forgetting about possible side-effects with ...讲述了什么是数据竞争以及竞争产生的问题。本节内容将讨论切片话题并分析通过append向切片中添加元素是否存在竞争问题。提前透露一下，是否存在竞争视具体情况而定。

下面的例子中，先初始一个切片s,然后创建两个goroutine，在每个goroutine中通过append创建一个新的切片，并向里面添加一个元素。代码如下，完整可以运行的代码见(https://github.com/ThomasMing0915/100-go-mistakes-code/tree/main/69)

s := make([]int, 1)

go func() {
        s1 := append(s, 1)
        fmt.Println(s1)
}()

go func() {
        s2 := append(s, 1)
        fmt.Println(s2)
}()

上述程序是否存在数据竞争？答案是不存在。在分析原因之前，我们先来看看切片的基础知识，切片背后是有一个底层数组支撑的，它有两个属性：长度和容量。长度是切片中可用元素的数量，容量是底层数组的大小。当用append操作切片时，行为取决于切片是否已满（长度和容量相等）。如果已满，它会创建一个新的底层数组来添加元素，否则会添加元素到当前的底层数组中。上面的例子中，通过make创建了一个大小和容量都为1的切片s. 因此s已满，在每个goroutine中使用append向里面添加元素的时候，都会创建一个新的底层数组，不会改动s的底层数组，所以不存在数据竞争。

下面对上面的代码稍做改动，变化的地方是初始化s的时候，将创建一个长度为0但容量为1的切片。代码如下, 这种情况存在数据竞争吗？答案是存在数据竞争。这里切片s的长度和容量不等，即切片s还没有满，两个goroutine都尝试向切片s的底层数组的相同位置添加元素，导致了数据竞争产生。

s := make([]int, 0, 1)

// Same

运行上述程序,加入-race参数检查数据竞争，在控制台输出结果如下：

go run -race  example2.go                                                                                       
[1]
==================
WARNING: DATA RACE
Write at 0x00c00001c0f8 by goroutine 8:

对于上面这种情况，如果希望两个goroutine都能够正常操作s, 并向里面添加元素，即怎么消除这里的数据竞争问题呢？一种解决方法是通过创建副本的方式,代码如下。

s := make([]int, 0, 1)

go func() {
        sCopy := make([]int, len(s), cap(s))
        copy(sCopy, s)

        s1 := append(sCopy, 1)
        fmt.Println(s1)
}()

go func() {
        sCopy := make([]int, len(s), cap(s))
        copy(sCopy, s)

        s2 := append(sCopy, 1)
        fmt.Println(s2)
}()

两个goroutine都是先创建s的副本，然后在副本上使用append进行元素追加操作，而不是在s上进行追加。这种将两个goroutine工作在隔离的数据上，防止产生数据竞争。

「NOTE：多个goroutine并发访问切片或map时，产生的数据竞争情况如何？」

• 如果它们访问切片中相同的位置，并且至少有一个goroutine在更新位置中的值，这种情况存在数据竞争，因为有多个goroutine试图对内存中的同个位置进行读写操作
• 如果它们访问切片中不同的位置，无论执行的是什么操作，不存在数据竞争，因为多个goroutine操作的是内存中的不同位置
• 如果它们访问相同的map,无论是否操作的是相同的键，只要有其中一个goroutine在执行更新操作，就存在数据竞争。你也许想知道它为什么与切片不同？因为map是一个桶数组，每个桶是一个指向键值对数组的指针。哈希算法用于确定存储桶的数组索引，由于该算法在map初始化期间带有随机性，因此存在一次执行可能会导致相同的数组索引，而另一次执行可能不会的情况。所以无论实际是否真的存在数据竞争，竞争检测器都视为存在竞争，发出警告信息。

在并发上下文环境中使用切片时，必须记住，在切片上使用append操作并不总是没有数据竞争的。具体行为依赖于切片是否已满，如果切片已满，则追加操作是无竞争的，否则如果切片没有满，多个goroutine可能会竞争更新相同的数组索引位置的数据，从而导致数据竞争。一般来说，我们不应该根据切片是否已满进行不同的编码实现，应该考虑到在并发应用程序中对共享切片使用append可能会导致数据竞争，因此应该避免它的产生。