两种并发安全链表的实现和对比

Posted 2021-01-02 apocelipes

多核处理器日益普及的现在很多代码都得和并发/并行打交道，对于内置了并发支持（goroutine）的golang来说并发编程是必不可少的一环。

链表是我们再熟悉不过的数据结构，在并发编程中我们也时长需要用到，今天我们就来看两种带锁的并发安全的单项链表。

方案一：粗粒度锁，完全锁住链表

方案一的做法是将所有操作用锁——Mutex串行化处理。串行化处理是指锁和链表相关联，当需要修改或读取链表时就获取锁，只要该goroutine持有锁，那么其他goroutine就无法修改或读取链表，直到锁的持有者将其释放。

这样可以保证任何时间都只有一个goroutine能处理链表，如此一来也就避免了数据竞争。下面是链表结构的定义：

type MutexList struct {
    locker     *sync.Mutex
    head, tail *Node
    size       int64
}

size表示当前list的长度，head是一个哨兵节点，不存储实际的数值。

下面是节点的定义：

type Node struct {
    Value interface{}
    Next  *Node
}

func NewNode(v interface{}) *Node {
    n := &Node{Value: v}
    n.Next = nil
    return n
}

节点和它的初始化不用多说，因为数据访问通过list来控制，所以节点里不需要再有mutex的存在。

好了我们进入正题，在粗粒度的解决方案里Enq方法负责将数据插入list的末尾，这是O(1)时间的操作，将list锁住然后更新tail即可，注意我们不允许插入nil：

func (l *MutexList) Enq(v interface{}) bool {
    if v == nil {
        return false
    }

    l.locker.Lock()
    node := NewNode(v)
    l.tail.Next = node
    l.tail = node
    l.size++
    l.locker.Unlock()
    return true
}

然后是insert，它将数据插入在给出的index处，index从0开始，同样我们不允许插入nil，同时会检查index，index不能超过size，当list只有size-1个节点时，新数据会插入在list的末尾：

func (l *MutexList) Insert(index int64, v interface{}) bool {
    l.locker.Lock()
    defer l.locker.Unlock()

    if index > l.size || index < 0 || v == nil {
        return false
    }

    current := l.head
    for i := int64(0); i <= index-1; i++ {
        // index - 1是最后一个节点时
        if current.Next == nil {
            break
        }
        current = current.Next
    }

    node := NewNode(v)
    node.Next = current.Next
    current.Next = node
    l.size++

    return true
}

这里我们使用了defer，那是因为只有一个mutex，而且函数有多个出口，容易在编码过程中漏掉对锁的释放。

节点的删除和查找也是类似的步骤，先给列表上锁，然后修改/读取，最后解锁，这里就不多讲解了。

然后是获取size的函数，后面的测试中要用，虽然我们以原子操作来获取了长度，但是仍然可能存在获得size之后其他goroutine进行了remove导致size改变进而引发Insert返回false，所幸的是我们的测试里并不会让remove和Insert同时出现，因此不会出现insert返回失败的问题，在实际使用时需要注意Insert的返回值，这一点在第二种方案中也是一样的：

func (l *MutexList) Length() int64 {
    return atomic.LoadInt64(&l.size)
}

因为方案二的该函数并无什么变化，因此就省略了。

 

如你所见，方案一的优点在于实现起来简单，确点在于一次只有一个goroutine能处理list，几乎所有对list的操作都被串行化了。

方案一无疑能很好地工作，但是它的性能十分有限，所以我们来看看方案二。

 

方案二：细粒度锁，锁住需要修改的节点

方案二的做法是将锁放到node里，每次需要修改的仅仅是部分节点，而不用把整个list锁住，这样能保证互不干扰的goroutine们可以同时处理list，而会互相干扰的goroutine则会被节点的mutex阻塞，以保证不存在竟态数据。

当然，为了保证不会有多个goroutine同时处理一个节点，我们需要在取得要修改节点的锁之前先取得前项节点的锁，然后才能取得修改节点的锁。这个步骤很像交叉手，它被称为锁耦合。

另外一个需要注意的地方是加锁的顺序，所有操作的加锁顺序/方向必须相同，比如从head开始锁定到tail，如果不按统一的顺序加锁将会出现死锁。考虑如下情况，goroutine A锁住了节点1，正准备锁定节点2，这时goroutine B沿反方向加锁，它要锁住节点2然后再锁住节点1，如果B运气很好先于A取得了节点2的锁，那么它将一直等待锁住节点1，而A则会始终等待锁住节点2，出现了A等B，B等A的死锁。但是只要统一了加锁的顺序/方向，那么这种问题就不复存在了。

这是list和node的定义，可以看见锁已经移动到node结构里了：

type List struct {
  head, tail *MutexNode
  size int64
}

type MutexNode struct {
  Locker *sync.Mutex
  Value interface{}
  Next *MutexNode
}

func NewMutexNode(v interface{}) *MutexNode {
  n := &MutexNode{Value: v}
  n.Locker = &sync.Mutex{}
  n.Next = nil
  return n
}

func NewList() *List {
  l := &List{}
  l.head = NewMutexNode(nil)
  l.tail = l.head

  return l
}

list和node的定义

下面我们来看Enq，功能与方案一一致，只是在处理锁的地方有所不同，因为tail节点总是在list末尾的元素，符合我们从head开始的加锁顺序，又因为tail的位置始终是确定的，所以可以省略锁住前项节点的步骤；tail会被更新，所以我们使用了一个临时变量保存tail的锁的指针（锁不能被复制），随后的加锁解锁都依赖于这个变量：

func (l *List) Enq(v interface{}) bool {
  if v == nil {
    return false
  }

  l.tail.Locker.Lock()
  tailLocker := l.tail.Locker
  
  node := NewMutexNode(v)
  l.tail.Next = node
  l.tail = node
  l.size++
  tailLocker.Unlock()

  return true
}

Insert的功能也与方案一一样，因为不是锁住整个list，所以光判断size是无意义的，需要处理list被中途修改的情况；因为是从head开始加锁，然后锁住节点1再解锁head，以此类推，所以不会有竞争，但同样存在remove和insert一起使用时insert会失败的情况，需要注意其返回值：

func (l *List) Insert(index int64, v interface{}) bool {
    if index < 0 || v == nil {
        return false
    }

    current := l.head
    current.Locker.Lock()
    for i := int64(0); i <= index-1; i++ {
        next := current.Next
    if next == nil {
      // 如果index前的某个节点为nil，那么说明链表可能被修改了，没有index个节点，insert失败
      if index < index - 1 {
        current.Locker.Unlock()
        return false
      }

      break
    }
    next.Locker.Lock()
    current.Locker.Unlock()
    current = next
    }

    node := NewMutexNode(v)
    node.Next = current.Next
    current.Next = node
    l.size++
    current.Locker.Unlock()

    return true
}

remove的做法和insert类似，不再赘述。

我们可以看到方案二锁的粒度确实变小了，但是实现变得复杂了，而且需要同时考虑多个边界情况，对开发增加了很大的难度，而且分散的锁也会对调试带来一定的负面影响。

说了这么多，方案一粗粒度锁和方案二细粒度锁在性能上孰优孰劣呢？毕竟方案二需要多次获取和释放锁，仔细想一下的话可能也是一笔不菲的开销，感谢golang自带的测试套件，我们可以方便的测试。

测试我们采用一组单goroutine+一组多goroutine测试一个功能的做法，测试机器是intel i5 6500 4核，为了模拟一般的工作负载，在多goroutine组我统一使用6个goroutine来并发操作list。

测试代码：

import (
  "math/rand"
  "testing"
  "time"
  "sync"
)

func init() {
  rand.Seed(time.Now().Unix())
}

func BenchmarkEnq(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewMutexList()
  b.StartTimer()
  for i := 0; i < b.N; i++ {
    if done := list.Enq(rand.Int()); !done {
      b.Error("Enq failed")
    }
  }
}

func BenchmarkGoroutineEnq(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewMutexList()
  wg := &sync.WaitGroup{}
  b.StartTimer()
  for i := 0; i < 6; i++ {
    wg.Add(1)
    go func(n int) {
      for i := 0; i < n; i++ {
        if done := list.Enq(rand.Int()); !done {
          b.Error("Enq by goroutines failed")
        }
      }
      wg.Done()
    }(b.N)
  }
  wg.Wait()
}

func BenchmarkInsert(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewMutexList()
  for i := 0; i < 5; i++ {
    list.Enq(i)
  }
  b.StartTimer()

  for i := 0; i < b.N; i++ {
    if done := list.Insert(rand.Int63n(list.Length()), rand.Int()); !done {
      b.Error("Insert failed")
    }
  }
}

func BenchmarkGoroutineInsert(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewMutexList()
  for i := 0; i < 5; i++ {
    list.Enq(i)
  }
  wg := &sync.WaitGroup{}
  b.StartTimer()

  for i := 0; i < 6; i++ {
    wg.Add(1)
    go func(n int)  {
      for i := 0; i < n; i++ {
        if done := list.Insert(rand.Int63n(list.Length()), rand.Int()); !done {
          b.Error("insert by goroutine failed")
        }
      }
      wg.Done()
    }(b.N)
  }
  wg.Wait()
}

方案一

import (
  "sync"
  "math/rand"
  "testing"
)

func BenchmarkMutexNodeEnq(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewList()
  b.StartTimer()
  for i := 0; i < b.N; i++ {
    if done := list.Enq(rand.Int()); !done {
      b.Error("MutexNode Enq failed")
    }
  }
}

func BenchmarkGoroutineMutexNodeEnq(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewList()
  wg := &sync.WaitGroup{}
  b.StartTimer()

  for i := 0; i < 6; i++ {
    wg.Add(1)
    go func(n int) {
      for i := 0; i < n; i++ {
        if done := list.Enq(rand.Int()); !done {
          b.Error("MutexNode Enq by goroutines failed")
        }
      }
      wg.Done()
    }(b.N)
  }
  wg.Wait()
}

func BenchmarkMutexNodeInsert(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewList()
  for i := 0; i < 5; i++ {
    list.Enq(i)
  }
  b.StartTimer()

  for i := 0; i < b.N; i++ {
    if done := list.Insert(rand.Int63n(list.Length()), rand.Int()); !done {
      b.Error("MutexNode Insert failed")
    }
  }
}

func BenchmarkGoroutineMutexNodeInsert(b *testing.B) {
  b.StopTimer()
  list := NewList()
  for i := 0; i < 5; i++ {
    list.Enq(i)
  }
  wg := &sync.WaitGroup{}
  b.StartTimer()

  for i := 0; i < 6; i++ {
    wg.Add(1)
    go func(n int)  {
      for i := 0; i < n; i++ {
        if done := list.Insert(rand.Int63n(list.Length()), rand.Int()); !done {
          b.Error("MutexNode Insert by goroutine failed")
        }
      }
      wg.Done()
    }(b.N)
  }
  wg.Wait()
}

方案二

测试分别向两个方案加入随机的int数据。

这是测试结果，因为testing不能跟踪goroutine内部的操作，所以多goroutine组的单个op看上去比较吓人，其实这是一个goroutine运行完成的时间：

go test -bench=. -benchmem

可以看到，在Enq也就是在末尾插入上两者相差不多，方案二在所有多goroutine测试用例的表现都优于方案一；

对于有大量随机访问发生的Inser操作，方案二在性能上可以说是碾压的存在，这可能方案二运行多个goroutine同时修改list而方案一只能同时有一个修改的原因；

而在并发的情况下方案二仍然比方案一快不少，但是差距缩小了，原因很可能是频繁的加锁加上goroutine之间互相干扰增多导致了性能的部分下降。

 

总结，如果追求性能，可以考虑方案二，或者使用第三方的无锁队列，不建议自己去实现无锁数据结构，因为 太 复 杂 ！如果你觉得方案二已经想不明白了，那么无锁编程将会是天书一般的存在，不如复用大神们的劳动成果吧。如果链表并不是你程序的性能热点，那么就可以考虑方案一，稳定且易于开发和维护的代码永远都是好东西。

 

最后如果有疑问和建议或者勘误，欢迎评论指出，祝玩得愉快！