内存模型

Go内存模型指定了在何种条件下可以保证在一个 goroutine 中读取变量时观察到在不同 goroutine 中写入相同变量所产生的值，修改多个 goroutine 同时访问的数据的程序必须序列化这种访问，要序列化访问，请使用通道操作或其他同步原语（例如 sync 和 sync/atomic 包中的原语）保护数据。

广义的 Happens Before

到底如何理解（Happens Before）先行发生，我也思考为啥需要确保先行发生这个顺序呢，直到看到了《Time, Clocks, and the Ordering of Events in a Distributed System》，分布式系统内的事件排序，涉及到最深层的本质问题。图灵奖得主Lamport在1978年发表的经典论文。正是对这些本质问题的一个系统化的阐述

论文主要是讲三个基础概念：时间（Time）、时钟（Clock）、事件排序（Ordering of Events）。它们之间的关系大概如下

时间

时间只是一个物理学上的概念。到底是什么，没几个人真正理解，我们是无法感受时间的，也无法测量时间，我们感知的时间其实是事件的流逝，比如看到太阳升起我们知道是早晨，而落日则意味着傍晚。

时钟

时钟分两种，一种是物理时钟，或者叫实时时钟；另一种是逻辑时钟。物理时钟是对时间的一种度量；现实中的物理时钟肯定是有误差的。而逻辑时钟是跟物理时间无关的，用于对每一个发生的事件指派一个单调递增的数值，是系统执行节拍的一种内部表示。

事件排序

两个不同的事件，可能具有先后关系，它们之间是能够排序的；也可能两个事件之间根本无法按照先后关系来排序。也就是说，事件排序是偏序的（Partial Ordering）

如果我们说事件a在事件b之前发生，直觉上的含义大概是：事件a发生的时间比事件b发生的时间要早。然而，这种判定事件之间次序的方式，是依赖物理时间的。这要求我们必须引入物理时钟才行，而物理时钟不可能百分之百精确。

Lamport在定义事件之间的关系的时候特意避开了物理时间。这就是著名的「Happened Before」关系（用符号“→”来表示）。见下面进程P、Q和R的消息时空图（注意图中自下而上时间递增）

结合上图我们举例解释一下「Happened Before」关系：

  • 同一进程内部先后发生的两个事件之间，具有「Happened Before」关系。比如，在进程Q内部，q2表示一个消息接收事件，q4表示另一个消息的发送事件，q2排在q4前面执行，所以q2→q4。
  • 同一个消息的发送事件和接收事件，具有「Happened Before」关系。比如，p1和q2分别表示同一个消息的发送事件和接收事件，所以p1→q2；同理，q4→r3。
  • 「Happened Before」满足传递关系。比如，由p1→q2，q2→q4和q4→r3，可以推出p1→r3。

这种「Happened Before」关系的关键在于，它是一种偏序关系。也就是说，并不是所有事件之间都具有「Happened Before」关系。比如p1和q1两个事件就是无法比较的，q4和r2也是无法比较的。

To specify the requirements of reads and writes, we definehappens before, a partial order on the execution of memory operations in a Go program 为了指定读写的要求，我们定义了happens before，一个Go程序中内存操作执行的偏序 官方文档

我的理解

可以把 「Happened Before」 理解成因果关系的另一种方式，相当于是说，a→b意味着事件a有可能在因果性上对事件b产生影响。如果两个事件谁也无法影响对方，那么它们就属于并发关系

Memory Reordering

a = 1;b = 2;ba

下面这段代码会有怎样的输出

显而易见的几种结果

令人意外的结果


内存重排的目的

  • 减少读写等待导致的性能降低
  • 最大化提高 CPU 利用率

CPU 架构

如下图，现代CPU为了“抚平”内核、内存、硬盘之间的速度差异，搞出了各种策略，例如三级缓存等。为了让(2)不必等待(1)的执行“效果”可见之后才能执行，我们可以把(1)的效果保存到store buffer

如下，先执行(1)和(3)，将他们直接写入storebuffer，接着执行(2)和(4)。“奇迹”要发生了：(2)看了下store buffer，并没有发现有B的值，于是从Memory读出了0，(4)同样从Memory读出了0。最后，打印出了00。

因此，对于多线程的程序，所有的CPU都会提供“锁”支持，称之为barrier，或者fence。它要求：barrier指令要求所有对内存的操作都必须要“扩散”到memory之后才能继续执行其他对memory的操作。因此，我们可以用高级点的atomiccompare-and-swap，或者直接用更高级的锁，通常是标准库提供。

Go 的 Happens Before

单一goroutine

单一goroutine中Happens Before所要表达的顺序就是程序执行的顺序

多goroutine

正式由于多goroutine是没有办法确定 Happens Before因果关系的，因为两个都是独立存在的。 我们不能够确定事件排序，这个时候就需要 Synchronization(同步) Synchronization

  • 传统的线程模型(通常在编写Java、C++和Python程序时使用)程序员在线程之间通信需要使用共享内存。通常，共享数据结构由锁保护，线程将争用这些锁来访问数据。
  • CSP模型是上个世纪七十年代提出的，用于描述两个独立的并发实体通过共享的通讯 channel(管道)进行通信的并发模型。 我理解的channel 的本质就是确立了 Happened Before关系 a->b b->c 就可以确立因果关系，进而解决两个事件谁也无法影响对方，也就是解决并发关系