Golang中sync.Map的实现原理

Posted 2023-04-06

参考技术A 前面，我们讲了map的用法以及原理 Golang中map的实现原理 ，但我们知道，map在并发读写的情况下是不安全。需要并发读写时，一般的做法是加锁，但这样性能并不高，Go语言在 1.9 版本中提供了一种效率较高的并发安全的 sync.Map，今天，我们就来讲讲 sync.Map的用法以及原理

sync.Map与map不同，不是以语言原生形态提供，而是在 sync 包下的特殊结构：

我们下来看下sync.Map结构体

结构体之间的关系如下图所示：

总结一下：

Load方法比较简单，总结一下：

总结如下：

不得不知道的Golang之sync.Map解读！

导语 | 本文结合源码，分析sync.Map的实现思路和原理，希望为更多感兴趣的开发者提供一些经验和帮助。

一、背景

项目中遇到了需要使用高并发的map的场景，众所周知golang官方的原生map是不支持并发读写的，直接并发的读写很容易触发panic。

解决的办法有两个：

• 自己配一把锁（sync.Mutex），或者更加考究一点配一把读写锁（sync.RWMutex）。这种方案简约直接，但是缺点也明显，就是性能不会太高。

• 使用Go语言在2017年发布的Go 1.9中正式加入了并发安全的字典类型sync.Map。

很显然，方案2是优雅且实用的。但是，为什么官方的sync.Map能够在lock free的前提下，保证足够高的性能？本文结合源码进行简单的分析。

二、核心思想＆架构

如果要保证并发的安全，最朴素的想法就是使用锁，但是这意味着要把一些并发的操作强制串行化，性能自然就会下降。

事实上，除了使用锁，还有一个办法，也可以达到类似并发安全的目的，就是原子操作（atomic）。sync.Map的设计非常巧妙，充分利用了atmoic和mutex的配合。

（一）核心思想

核心原则就是，尽量使用原子操作，最大程度上减少了锁的使用，从而接近了“lock free”的效果。

核心点：

• 使用了两个原生的map作为存储介质，分别是read map和dirty map（只读字典和脏字典）。

• 只读字典使用atomic.Value来承载，保证原子性和高性能；脏字典则需要用互斥锁来保护，保证了互斥。

• 只读字典和脏字典中的键值对集合并不是实时同步的，它们在某些时间段内可能会有不同。

• 无论是read还是dirty，本质上都是map[interface]*entry类型，这里的entry其实就是Map的value的容器。

• entry的本质，是一层封装，可以表示具体值的指针，也可以表示key已删除的状态（即逻辑假删除）

通过这种设计，规避了原生map无法并发安全delete的问题，同时在变更某个键所对应的值的时候，就也可以使用原子操作了。

这里列一下Map的源码定义。篇幅问题，我去除了大量的英文原版注释，换成融合自身理解的直观解释。如果有需要可以结合原版的注释对比着看。

type Map struct 
   mu sync.Mutex


   // read contains .... 省略原版的注释
   // read map是被atomic包托管的，这意味着它本身Load是并发安全的（但是它的Store操作需要锁mu的保护）
   // read map中的entries可以安全地并发更新，但是对于expunged entry，在更新前需要经它unexpunge化并存入dirty
   //（这句话，在Store方法的第一种特殊情况中，使用e.unexpungeLocked处有所体现）
   read atomic.Value // readOnly


   // dirty contains .... 省略原版的注释
   // 关于dirty map必须要在锁mu的保护下，进行操作。它仅仅存储 non-expunged entries
   // 如果一个 expunged entries需要存入dirty，需要先进行unexpunged化处理
   // 如果dirty map是nil的，则对dirty map的写入之前，需要先根据read map对dirty map进行浅拷贝初始化
   dirty map[interface]*entry


   // misses counts .... 省略原版的注释
   // 每当读取的是时候，read中不存在，需要去dirty查看，miss自增，到一定程度会触发dirty=>read升级转储
   // 升级完毕之后，dirty置空 &miss清零 &read.amended置false
   misses int



// 这是一个被原子包atomic.Value托管了的结构，内部仍然是一个map[interface]*entry
// 以及一个amended标记位，如果为真，则说明dirty中存在新增的key，还没升级转储，不存在于read中
type readOnly struct 
   m       map[interface]*entry
   amended bool // true if the dirty map contains some key not in m.



// An entry is a slot in the map corresponding to a particular key.
// 这是一个容器，可以存储任意的东西，因为成员p是unsafe.Pointer(*interface)
// sync.Map中的值都不是直接存入map的，都是在entry的包裹下存入的
type entry struct 
   // p points ....  省略原版的注释
   // entry的p可能的状态：
   // e.p == nil：entry已经被标记删除，不过此时还未经过read=>dirty重塑，此时可能仍然属于dirty（如果dirty非nil）
   // e.p == expunged：entry已经被标记删除，经过read=>dirty重塑，不属于dirty，仅仅属于read，下一次dirty=>read升级，会被彻底清理
   // e.p == 普通指针：此时entry是一个不同的存在状态，属于read，如果dirty非nil，也属于dirty
   p unsafe.Pointer // *interface

（二）架构设计图

初看这个结构的设计，会觉得复杂，不理解为什么要设计成这样，这里画了一个图，力求更加直观的说明read和dirty之间的配合关系。

架构的进一步解释说明：

• read map由于是原子包托管，主要负责高性能，但是无法保证拥有全量的key（因为对于新增key，会首先加到dirty中），所以read某种程度上，类似于一个key的快照。

• dirty map拥有全量的key，当Store操作要新增一个之前不存在的key的时候，预先是增加自dirty中的。

• 在查找指定的key的时候，总会先去只读字典中寻找，并不需要锁定互斥锁。只有当read中没有，但dirty中可能会有这个key的时候，才会在锁的保护下去访问dirty。

• 在存储键值对的时候，只要read中已存有这个key，并且该键值对未被标记为“expunged”，就会把新值存到里面并直接返回，这种情况下也不需要用到锁。

• expunged和nil，都表示标记删除，但是它们是有区别的，简单说expunged是read独有的，而nil则是read和dirty共有的，具体这么设计的原因，最后统一总结。

• read和map的关系，是一直在动态变化的，可能存在重叠，也可能是某某一方为空；重叠的公共部分，由分为两种情况，nil和normal，它们分别的意义，会在最后统一总结。

• read和dirty之间是会互相转换的，在dirty中查找key对次数足够多的时候，sync.Map会把dirty直接作为read，即触发dirty=>read升级。同时在某些情况，也会出现read=>dirty的重塑，具体方式和这么设计的原因，最后详述。

三、源码细节梳理

通过上面的分析，可以对sync.Map有一个初步的整体认知，这里再列出CURD几个关键操作的源码，进一步加深理解。同样的由于篇幅原因，我去除了大段冗长的英文注释，换成了提炼之后更加通俗的理解，有需要可以对比原文注释。

（一）Store操作（对应C/U）

// Store sets the value for a key.
func (m *Map) Store(key, value interface) 
   // 首先把readonly字段原子地取出来
   // 如果key在readonly里面，则先取出key对应的entry，然后尝试对这个entry存入value的指针
   read, _ := m.read.Load().(readOnly)
   if e, ok := read.m[key]; ok && e.tryStore(&value) 
      return
   


   // 如果readonly里面不存在key或者是对应的key是被擦除掉了的，则继续。。。
   m.mu.Lock() // 上锁


   // 锁的惯用模式：再次检查readonly，防止在上锁前的时间缝隙出现存储
   read, _ = m.read.Load().(readOnly)
   if e, ok := read.m[key]; ok 
      // 这里有两种情况：
      // 1. 上面的时间缝隙里面，出现了key的存储过程（可能是normal值，也可能是expunge值）
      //    此时先校验e.p，如果是普通值，说明read和dirty里都有相同的entry，则直接设置entry
      //    如果是expunge值，则说明dirty里面已经不存在key了，需要先在dirty里面种上key，然后设置entry
      // 2. 本来read里面就存在，只不过对应的entry是expunge的状态
      //    这种情况和上面的擦除情况一样，说明dirty里面已经不存在key了，需要先在dirty里面种上key，然后设置entry
      if e.unexpungeLocked() 
         // The entry was previously expunged, which implies that there is a
         // non-nil dirty map and this entry is not in it.
         m.dirty[key] = e
      
      e.storeLocked(&value) // 将value存入容器e
    else if e, ok := m.dirty[key]; ok 
      // readonly里面不存在，则查看dirty里面是否存在
      // 如果dirty里面存在，则直接设置dirty的对应key
      e.storeLocked(&value)
    else 
      // dirty里面也不存在（或者dirty为nil），则应该先设置在ditry里面
      // 此时要检查read.amended，如果为假（标识dirty中没有自己独有的key or 两者均是初始化状态）
      // 此时要在dirty里面设置新的key，需要确保dirty是初始化的且需要设置amended为true（表示自此dirty多出了一些独有key）
      if !read.amended 
         // We're adding the first new key to the dirty map.
         // Make sure it is allocated and mark the read-only map as incomplete.
         m.dirtyLocked()
         m.read.Store(readOnlym: read.m, amended: true)
      
      m.dirty[key] = newEntry(value)
   


   // 解锁
   m.mu.Unlock()



// 这是一个自旋乐观锁：只有key是非expunged的情况下，会得到set操作
func (e *entry) tryStore(i *interface) bool 
   for 
      p := atomic.LoadPointer(&e.p)
      // 如果p是expunged就不可以了set了
      // 因为expunged状态是read独有的，这种情况下说明这个key已经删除（并且发生过了read=>dirty重塑过）了
      // 此时要新增只能在dirty中，不能在read中
      if p == expunged 
         return false
      
      // 如果非expunged，则说明是normal的entry或者nil的entry，可以直接替换
      if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, p, unsafe.Pointer(i)) 
         return true
      
   



// 利用了go的CAS，如果e.p是 expunged，则将e.p置为空，从而保证她是read和dirty共有的
func (e *entry) unexpungeLocked() (wasExpunged bool) 
   return atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, expunged, nil)



// 真正的set操作，从这里也可以看出来2点：1是set是原子的 2是封装的过程
func (e *entry) storeLocked(i *interface) 
   atomic.StorePointer(&e.p, unsafe.Pointer(i))



// 利用read重塑dirty！
// 如果dirty为nil，则利用当前的read来初始化dirty（包括read本身也为空的情况）
// 此函数是在锁的保护下进行，所以不用担心出现不一致
func (m *Map) dirtyLocked() 
   if m.dirty != nil 
      return
   
   // 经过这么一轮操作:
   // dirty里面存储了全部的非expunged的entry
   // read里面存储了dirty的全集，以及所有expunged的entry
   // 且read中不存在e.p == nil的entry（已经被转成了expunged）
   read, _ := m.read.Load().(readOnly)
   m.dirty = make(map[interface]*entry, len(read.m))
   for k, e := range read.m 
      if !e.tryExpungeLocked()  // 只有非擦除的key，能够重塑到dirty里面
         m.dirty[k] = e
      
   



// 利用乐观自旋锁，
// 如果e.p是nil，尽量将e.p置为expunged
// 返回最终e.p是否是expunged
func (e *entry) tryExpungeLocked() (isExpunged bool) 
   p := atomic.LoadPointer(&e.p)
   for p == nil 
      if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, nil, expunged) 
         return true
      
      p = atomic.LoadPointer(&e.p)
   
   return p == expunged

（二）Store操作（对应R）

func (m *Map) Load(key interface) (value interface, ok bool) 
   // 把readonly字段原子地取出来
   read, _ := m.read.Load().(readOnly)
   e, ok := read.m[key]


   // 如果readonly没找到，且dirty包含了read没有的key，则尝试去dirty里面找
   if !ok && read.amended 
      m.mu.Lock()
      // 锁的惯用套路
      read, _ = m.read.Load().(readOnly)
      e, ok = read.m[key]
      if !ok && read.amended 
         e, ok = m.dirty[key]
         // Regardless of ... 省略英文
         // 记录miss次数，并在满足阈值后，触发dirty=>map的升级
         m.missLocked()
      
      m.mu.Unlock()
   


   // readonly和dirty的key列表，都没找到，返回nil
   if !ok 
      return nil, false
   


   // 找到了对应entry，随即取出对应的值
   return e.load()



// 自增miss计数器
// 如果增加到一定程度，dirty会升级成为readonly（dirty自身清空 & read.amended置为false）
func (m *Map) missLocked() 
   m.misses++
   if m.misses < len(m.dirty) 
      return
   
   // 直接用dirty覆盖到了read上（那也就是意味着dirty的值是必然是read的父集合，当然这不包括read中的expunged entry）
   m.read.Store(readOnlym: m.dirty) // 这里有一个隐含操作，read.amended再次变成false
   m.dirty = nil
   m.misses = 0



// entry是一个容器，从entry里面取出实际存储的值（以指针提取的方式）
func (e *entry) load() (value interface, ok bool) 
   p := atomic.LoadPointer(&e.p)
   if p == nil || p == expunged 
      return nil, false
   
   return *(*interface)(p), true

（三）Delete操作（对应D）

// Delete deletes the value for a key.
func (m *Map) Delete(key interface) 
   m.LoadAndDelete(key)



// 删除的逻辑和Load的逻辑，基本上是一致的
func (m *Map) LoadAndDelete(key interface) (value interface, loaded bool) 
   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 
         e, ok = m.dirty[key]
         delete(m.dirty, key)
         // Regardless of ...省略
         m.missLocked()
      
      m.mu.Unlock()
   
   if ok 
      return e.delete()
   
   return nil, false



// 如果e.p == expunged 或者nil，则返回false
// 否则，设置e.p = nil，返回删除的值得指针
func (e *entry) delete() (value interface, ok bool) 
   for 
      p := atomic.LoadPointer(&e.p)
      if p == nil || p == expunged 
         return nil, false
      
      if atomic.CompareAndSwapPointer(&e.p, p, nil) 
         return *(*interface)(p), true
      
   

四、整体思考

第一次读Map的源码，会觉得很晦涩，虽然整体思路是明确的，但是细节却很多，困惑于为什么做这样的设计，多读几遍之后，很多问题能够略窥门径。这里列出一些开始觉得困惑的问题：

（一）dirty和read互转，分别在什么样的时机下会进行？

• dirty=>read：随着load的miss不断自增，达到阈值后触发升级转储（完毕之后，dirty置空&miss清零&read.amended置false）

• read=>dirty：当有read中不存在的新key需要增加且read和dirty一致的时候，触发重塑，且read.amended置true（然后再在dirty新增）。重塑的过程，会将nil状态的entry，全部挤压到expunged状态中，同时将非expunged的entry浅拷贝到dirty中，这样可以避免read的key无限的膨胀（存在大量逻辑删除的key）。最终，在dirty再次升级为read的时候，这些逻辑删除的key就可以一次性丢弃释放了（因为是直接覆盖上去）

（二）read从何而来，存在的意义又是什么？

• read是有dirty升级而来，是利用了atomic.Store一次性覆盖，而不是一点点的set操作出来的。所以，read更像是一个快照，read中key的集合不能被改变（注意，这里说的read的key不可改变，不代表指定的key的value不可改变，value是可以通过原子CAS来进行更改的），所以其中的键的集合有时候可能是不全的。

• 相反，脏字典中的键值对集合总是完全的，但是其中不会包含expunged的键值对。

• read的存在价值，在于加速读性能（通过原子操作避免了锁）

（三）entry的p可能的状态，有哪些？

• e.p==nil：entry已经被标记删除，不过此时还未经过read=>dirty重塑，此时可能仍然属于dirty（如果dirty非nil）

• e.p==expunged：entry已经被标记删除，经过read=>dirty重塑，不属于dirty，仅仅属于read，下一次dirty=>read升级，会被彻底清理（因为升级的操作是直接覆盖，read中的expunged会被自动释放回收）

• e.p==普通指针：此时entry是一个普通的存在状态，属于read，如果dirty非nil，也属于dirty。对应架构图中的normal状态。

（四）删除操作的细节，e.p到底是设置成了nil还是expunged？

• 如果key不在read中，但是在dirty中，则直接delete。

• 如果key在read中，则逻辑删除，e.p赋值为nil(后续在重塑的时候，nil会变成expunged)
  

（五）什么时候e.p由nil变成expunged？

• read=>dirty重塑的时候，此时read中仍然是nil的，会变成expunged，表示这部分key等待被最终丢弃（expunged是最终态，等待被丢弃，除非又出现了重新store的情况）

• 最终丢弃的时机：就是dirty=>read升级的时候，dirty的直接粗暴覆盖，会使得read中的所有成员都被丢弃，包括expunged。

（六）既然nil也表示标记删除，那么再设计出一个expunged的意义是什么？

expunged是有存在意义的，它作为删除的最终状态（待释放），这样nil就可以作为一种中间状态。如果仅仅使用nil，那么，在read=>dirty重塑的时候，可能会出现如下的情况：

• 如果nil在read浅拷贝至dirty的时候仍然保留entry的指针（即拷贝完成后，对应键值下read和dirty中都有对应键下entry e的指针，且e.p=nil）那么之后在dirty=>read升级key的时候对应entry的指针仍然会保留。那么最终；的合集会越来越大，存在大量nil的状态，永远无法得到清理的机会。

• 如果nil在read浅拷贝时不进入dirty，那么之后store某个Key键的时候，可能会出现read和dirty不同步的情况，即此时read中包含dirty不包含的键，那么之后用dirty替换read的时候就会出现数据丢失的问题。

• 如果nil在read浅拷贝时直接把read中对应键删除（从而避免了不同步的问题），但这又必须对read加锁，违背了read读写不加锁的初衷。

综上，为了保证read作为快照的性质（不能单独删除或新增key），同时要避免Map中nil的key不断膨胀等多个前提要求，才设计成了expungd的状态。

（七）对于一个entry，从生到死的状态机图

（八）注释中关于slow path和fast path的解释

• 慢路径其实就是经过了锁的代码路径。

• 快路径就是不经过锁的。

五、总结

sync.Map的源码并不长，但是里面的很多细节都非常的考究，比如对于原子和锁的使用、利用状态机的变化标记来代替map的delete从而提高性能和安全性等等。

 作者简介

华起

腾讯后台开发工程师

腾讯后台研发工程师，毕业于西安电子科技大学。目前负责腾讯视频打点读取、列表筛选等业务的后端研发工作。有丰富的服务端开发经验。

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