Thread和goroutine两种方式怎样实现共享变量按序输出

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：

• 为啥要用notifyAll，而没有使用notify？

“  

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。

”  

• 为啥要用while循环，而不是用更轻量的if？

“  

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）

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。