一顿操作猛如虎，一看结果还是0，Rust能避免Go的BUG？

Posted 2021-06-28 beyondma

早些时候我看到这样一条新闻，在谈到Linux内核与Rust的关系时，谷歌曾表示Rust现在已经准备好加入C语言，成为实现内核的实用语言。它可以帮助减少特权代码中潜在的bug和安全漏洞，同时与内核也配合得很好，可以很大程度上保留其性能特性。

虽然Linux的创始人林纳斯，对于汇编和C语言以外的其它编程语言进入内核全部持负面的态度，但是谷歌还是在强推一个Rust编写某些Linux模块的项目。我之前写过一篇文章曾经讨论过各主流编程语言的并发特性，而让Rust进入内核的原因是这个语言安全而且bug少？？一个是这也让我特别好奇方向，谷歌自己的GO语言不香吗，为什么非要支持Moliza创造的Rust?

相信如果Rust正式进驻Linux模块，那么以Rust为主开发的Serverless容器必将更加大行其道，而笔者在比较了一下之后认为与目前云原生的主力Go语言相比，Rust的确有它的过人之处，下面为大家分享一下这个经典的案例。

Go Go Go？忙半天结果还是零?

图省事是程序员的天性，所以很多时候像C语言编写的程序就经常会出现内存泄露，我们看到很多安全软件扫描出的漏洞几乎都是OpenSSL带来的，由于这种安全软件攻击收益太高，因此用C语言编写一旦出现所谓的野指针，那么这所带来的影响就非常恶劣了。

而JAVA和GO自带的内存回收机制虽好，但是也会经常让程序员忘记一些如加锁、同步等关键性的工作。

查了半天的bug

以GO语言为例，我们来看看在GC的帮助下，我们程序员到底得到了哪些便利，又要在哪些方面付出代价呢？我们先来看以下这段代码。

package main

import (
	"fmt"
	//"runtime"

	"sync/atomic"
	"time"
)

func main() {
	var x int32
	var y int32
	var z int32

	go func() {
		for {
			x = atomic.AddInt32(&x, 1)
			
			y++//忘加锁了
			z = x + y//同忘加锁
			
		}
	}()
	
	

	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("x=", x)
	fmt.Println("y=", y)
	fmt.Println("z=", z)
}

这段代码是我们之前所遇BUG的一个变体，也就是说在进行一些并发操作时，只有涉及的一个操作加锁了，另外两个简单操作我们下意识的认为其线程安全也就没在意。结果上述代码跑完之后你会发现本来应该相等x和y不相等了，相差个万分之一左右，而z也不等于x与y之和误差也在万分之一左右。

x= 86209264
y= 86217488
z= 172436022
成功: 进程退出代码 0.

 

但是如果打开日志追踪内部的执行情况，你会发现这个BUG很可能就消失了，虽然这个问题简化之后看起来简单，但是在茫茫多的代码中真正定位这种屎祖级的BUG太难了。

 

x++了半天怎么还是0

上述BUG还是有点复杂，我们先来看以下这段代码。

package main
import (
	"fmt"
	"runtime"

	//"sync/atomic"
	"time"
)

func main() {
	var y int32
	go func() {
			for {
			    //do something
				y++
				
			}
		}()
	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("y=", y)
	
}

假如我想让GO语言并发的为我去做一些工作，以上述代码为例，我先定义了一个变量y,然后通过启动goroutine，对y变量进行一些操作，但是我最终得到的结果对不起，却是y=0。也就是说忙了半天什么都没做。

threads= 8
x= 0
成功: 进程退出代码 0.

那么有读者可能会说是不是sleep的时间不够长，好我把把休眠时间改为100秒也无济于事。

goroutine到底有没有执行？

其实goroutine肯定是执行了，因为我们稍微把代码改一下就可以看到结果。

package main

import (
	"fmt"
	"runtime"

	//"sync/atomic"
	"time"
)

func main() {
	var y int32
	go func() {
			for {
				
				y++
				
				fmt.Println("goroutine enter once")
			}
		}()

	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("y=", y)
	
}

只要这样改一下，立刻可以看到如下结果。

goroutine enter once
goroutine enter once
goroutine enter once
goroutine enter once
x= 78686
goroutine enter once
goroutine enter once
goroutine enter once
goroutine enter once
goroutine enter once
goroutine enter once
goroutine enter once
成功: 进程退出代码 0.

也就是说一旦我们加上了一些涉及到IO的耗时操作，就可以让x++这个动作得到一定程度的执行。

++半天，为何结果还是0？

其实想解释这个问题，需要一些CPU工作原理的基础。我在之前的文章曾经提到过目前的CPU都是流水线技术执行的。由于CPU中取指、译码这些模块其实都是独立的，完成可以在同一时刻并行手，那么只要将多条指令的相关步骤放在同一时刻执行，比如指令1取指，指令2译码，指令3取操作数等等依此类推，就跟以达到 大幅提升CPU的执行效果，以5级流水线为例，具体原理详见下图：

那么这就会带来一个问题，由于内存太慢了，因此一般来说计算结果都不会直接放回内存，而是会先暂存到高速缓存当中，最终由调整缓存统一写回到内存。

但是这样的模型在多核的架构下还是会存在一定的问题。因为不同CPU之间会进行竞争

而不同多核数据同步总线使用MESI协议进行数据同步，当然这里的MESI并不是阿根廷的球员，而是四种状态组成的状态机，其中具体解释如下。

M 修改 (Modified)：该Cache line有效，数据被修改了，和内存中的数据不一致，数据只存在于本Cache中。

E 独享、互斥 (Exclusive)：该Cache line有效，数据和内存中的数据一致，数据只存在于本Cache中。

S 共享 (Shared)：该Cache line有效，数据和内存中的数据一致，数据存在于很多Cache中。

I 无效 (Invalid)：该Cache line无效。

因此以在下代码中 

go func() {
			for {
			    //do something
				y++
				
			}
		}()

这里简单来描述一下这个问题的原因。

1.初始时各CPU的L1高速缓存都是I也就是无效状态I。

2.从内存读入执行y++的时候，各CPU进行本地写也就是localWrite操作，将自己的L1的高速缓存行置为M.

3.但是回写到内存时，CPU又要执行远程写的操作也就是RemoteWrite，由于没有任何y变量没有任何同步竞争机制，这时所有CPU都会发现有其它CPU拥有该变量，这时RemoteWrite操作会使CPU将自身高速缓存行的状态再次置为I.也就是无效的状态.

4.I状态的数据是不会被回写到内存的。

因此上述代码无论执行多少次都不会让y的值产生一丝丝变化。

不过如果耗时的IO操作，那么第3步中各CPU执行远程写操作时就不会那么集中，也就是说有的CPU是可以在其它CPU忙于IO操作时而没有发送RemoteWrite操作的间隙将自身状态置为S，也就是有效的共享状态。这也就是下列代码能让y++操作体现到，最终结果的原因。

go func() {
			for {
				
				y++
				
				fmt.Println("goroutine enter once")
			}
		}()

只要加锁就不一样

我们再回到最开始BUG中涉及的代码

func main() {
	var x int32
	var y int32
	var z int32

	go func() {
		for {
			x = atomic.AddInt32(&x, 1)

			y++
			z = x + y

		}
	}()
	
	

	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("x=", x)
	fmt.Println("y=", y)
	fmt.Println("z=", z)
}

只要x++时用了atomic的AddInt32方法就可以避免我们刚刚x执行不到的问题，而且这带来一个意外的情况就是未加锁的y和z也都逃脱升天了，改变了之前全部是0的情况。

纠其根本原因还在于在CPU实现当中，锁是以缓存行为粒度加的，而xyz三个变量在内存中的而已是连续的，因此只要给x加上锁，其y和z应该也不会相差太离谱。当然这也有坏处，如果这几个值要求精确，那这样的运行结果可以非常难定位bug的。

不是一家子的话也没机会

假如我们把刚刚的代码做一下变形。把带锁的部分和没加锁的部分，分别放到两个匿名函数中，

func main() {
	var x int32
	var y int32
	var z int32

	go func() {
		for {
			x = atomic.AddInt32(&x, 1)

		}
	}()

	go func() {
		for {
			y++
			z = x+y
		}
	}()

	time.Sleep(time.Second)
	fmt.Println("x=", x)
	fmt.Println("y=", y)
	fmt.Println("z=", z)
}

这样的话，y和z还是白忙一场，也就是说不在一个goroutine中执行，那x的锁对于同在一行的y和z没有意义。

x= 97888494

y= 0

z= 0

成功: 进程退出代码 0.

Rust是怎么做的呢？

说实话看到Rust中类似的实现代码，笔者真是有点酸了，Rust的类似实现如下：
 

use std::thread;
use std::time::Duration;

fn main() {
    let mut s = 0;

    thread::spawn(move || {
        s +=1;
       
    });
    thread::sleep(Duration::from_millis(1000));
    println!("{}", s);
}

在move关键字等儿科的权限作用域管理的帮助下，上述代码在编译时就会有如下提示：

 --> hello_world.rs:8:9
  |
8 |         s +=1;
  |         ^
  |
  = note: `#[warn(unused_assignments)]` on by default
  = help: maybe it is overwritten before being read?

你没加锁，就提示这个变量在使用中会出现问题，看到这我真是感觉Rust这门语言可就有点强了，用Rust编程犯错都很难。