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你好，我是郝林，今天我们继续来分享并发安全字典 sync.Map 的内容。 我们在上一篇文章中谈到了，由于并发安全字典提供的方法涉及的键和值的类型都是`interface{}`，所以我们在调用这些方法的时候，往往还需要对键和值的实际类型进行检查。 这里大致有两个方案。我们上一篇文章中提到了第一种方案，在编码时就完全确定键和值的类型，然后利用 Go 语言的编译器帮我们做检查。 这样做很方便，不是吗？不过，虽然方便，但是却让这样的字典类型缺少了一些灵活性。如果我们还需要一个键类型为`uint32`并发安全字典的话，那就不得不再如法炮制地写一遍代码了。因此，在需求多样化之后，工作量反而更大，甚至会产生很多雷同的代码。 ### 知识扩展 ### 问题 1：怎样保证并发安全字典中的键和值的类型正确性？（方案二） 那么，如果我们既想保持`sync.Map`类型原有的灵活性，又想约束键和值的类型，那么应该怎样做呢？这就涉及了第二个方案。 **在第二种方案中，我们封装的结构体类型的所有方法，都可以与`sync.Map`类型的方法完全一致（包括方法名称和方法签名）。** 不过，在这些方法中，我们就需要添加一些做类型检查的代码了。另外，这样并发安全字典的键类型和值类型，必须在初始化的时候就完全确定。并且，这种情况下必须先要保证键的类型是可比较的。 所以在设计这样的结构体类型的时候，只包含`sync.Map`类型的字段就不够了。 比如： ``` type ConcurrentMap struct { m sync.Map keyType reflect.Type valueType reflect.Type } ``` 这里`ConcurrentMap`类型代表的是可自定义键类型和值类型的并发安全字典。这个类型同样有一个`sync.Map`类型的字段`m`，代表着其内部使用的并发安全字典。 另外，它的字段`keyType`和`valueType`分别用于保存键类型和值类型。这两个字段的类型都是`reflect.Type`，我们可称之为反射类型。 这个类型可以代表 Go 语言的任何数据类型。并且，这个类型的值也非常容易获得：通过调用`reflect.TypeOf`函数并把某个样本值传入即可。比如：调用表达式`reflect.TypeOf(int(123))`的结果值，就代表了`int`类型的反射类型值。 我们现在来看一看`ConcurrentMap`类型方法应该怎么写。先说`Load`方法，这个方法接受一个`interface{}`类型的参数`key`，参数`key`代表了某个键的值。 因此，当我们根据 ConcurrentMap 在`m`字段的值中查找键值对的时候，就必须保证 ConcurrentMap 的类型是正确的。由于反射类型值之间可以直接使用操作符`==`或`!=`进行判等，所以这里的类型检查代码非常简单。 ``` func (cMap *ConcurrentMap) Load(key interface{}) (value interface{}, ok bool) { if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType { return } return cMap.m.Load(key) } ``` 我们把一个接口类型值传入`reflect.TypeOf`函数，就可以得到与这个值的实际类型对应的反射类型值。因此，如果参数值的反射类型与`keyType`字段代表的反射类型不相等，那么我们就忽略后续操作，并直接返回。 这时，`Load`方法的第一个结果`value`的值为`nil`，而第二个结果`ok`的值为`false`。这完全符合`Load`方法原本的含义。 再来说`Store`方法。`Store`方法接受两个参数`key`和`value`，它们的类型也都是`interface{}`。因此，我们的类型检查应该针对它们来做。 ``` func (cMap *ConcurrentMap) Store(key, value interface{}) { if reflect.TypeOf(key) != cMap.keyType { panic(fmt.Errorf("wrong key type: %v", reflect.TypeOf(key))) } if reflect.TypeOf(value) != cMap.valueType { panic(fmt.Errorf("wrong value type: %v", reflect.TypeOf(value))) } cMap.m.Store(key, value) } ``` 这里的类型检查代码与`Load`方法中的代码很类似，不同的是对检查结果的处理措施。当参数`key`或`value`的实际类型不符合要求时，`Store`方法会立即引发 panic。 这主要是由于`Store`方法没有结果声明，所以在参数值有问题的时候，它无法通过比较平和的方式告知调用方。不过，这也是符合`Store`方法的原本含义的。 如果你不想这么做，也是可以的，那么就需要为`Store`方法添加一个`error`类型的结果。并且，在发现参数值类型不正确的时候，让它直接返回相应的`error`类型值，而不是引发 panic。要知道，这里展示的只一个参考实现，你可以根据实际的应用场景去做优化和改进。 至于与`ConcurrentMap`类型相关的其他方法和函数，我在这里就不展示了。它们在类型检查方式和处理流程上并没有特别之处。你可以在 demo72.go 文件中看到这些代码。 稍微总结一下。第一种方案适用于我们可以完全确定键和值具体类型的情况。在这种情况下，我们可以利用 Go 语言编译器去做类型检查，并用类型断言表达式作为辅助，就像`IntStrMap`那样。 在第二种方案中，我们无需在程序运行之前就明确键和值的类型，只要在初始化并发安全字典的时候，动态地给定它们就可以了。这里主要需要用到`reflect`包中的函数和数据类型，外加一些简单的判等操作。 第一种方案存在一个很明显的缺陷，那就是无法灵活地改变字典的键和值的类型。一旦需求出现多样化，编码的工作量就会随之而来。 第二种方案很好地弥补了这一缺陷，但是，那些反射操作或多或少都会降低程序的性能。我们往往需要根据实际的应用场景，通过严谨且一致的测试，来获得和比较程序的各项指标，并以此作为方案选择的重要依据之一。 ### 问题 2：并发安全字典如何做到尽量避免使用锁？ `sync.Map`类型在内部使用了大量的原子操作来存取键和值，并使用了两个原生的`map`作为存储介质。 其中一个原生`map`被存在了`sync.Map`的`read`字段中，该字段是`sync/atomic.Value`类型的。这个原生字典可以被看作一个快照，它总会在条件满足时，去重新保存所属的`sync.Map`值中包含的所有键值对。 为了描述方便，我们在后面简称它为只读字典。不过，只读字典虽然不会增减其中的键，但却允许变更其中的键所对应的值。所以，它并不是传统意义上的快照，它的只读特性只是对于其中键的集合而言的。 由`read`字段的类型可知，`sync.Map`在替换只读字典的时候根本用不着锁。另外，这个只读字典在存储键值对的时候，还在值之上封装了一层。 它先把值转换为了`unsafe.Pointer`类型的值，然后再把后者封装，并储存在其中的原生字典中。如此一来，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。 `sync.Map`中的另一个原生字典由它的`dirty`字段代表。它存储键值对的方式与`read`字段中的原生字典一致，它的键类型也是`interface{}`，并且同样是把值先做转换和封装后再进行储存的。我们暂且把它称为脏字典。 注意，脏字典和只读字典如果都存有同一个键值对，那么这里的两个键指的肯定是同一个基本值，对于两个值来说也是如此。正如前文所述，这两个字典在存储键和值的时候都只会存入它们的某个指针，而不是基本值。 `sync.Map`在查找指定的键所对应的值的时候，总会先去只读字典中寻找，并不需要锁定互斥锁。只有当确定“只读字典中没有，但脏字典中可能会有这个键”的时候，它才会在锁的保护下去访问脏字典。 相对应的，`sync.Map`在存储键值对的时候，只要只读字典中已存有这个键，并且该键值对未被标记为“已删除”，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。 否则，它才会在锁的保护下把键值对存储到脏字典中。这个时候，该键值对的“已删除”标记会被抹去。 顺便说一句，只有当一个键值对应该被删除，但却仍然存在于只读字典中的时候，才会被用标记为“已删除”的方式进行逻辑删除，而不会直接被物理删除。 这种情况会在重建脏字典以后的一段时间内出现。不过，过不了多久，它们就会被真正删除掉。在查找和遍历键值对的时候，已被逻辑删除的键值对永远会被无视。 对于删除键值对，`sync.Map`会先去检查只读字典中是否有对应的键。如果没有，脏字典中可能有，那么它就会在锁的保护下，试图从脏字典中删掉该键值对。 最后，`sync.Map`会把该键值对中指向值的那个指针置为`nil`，这是另一种逻辑删除的方式。 除此之外，还有一个细节需要注意，只读字典和脏字典之间是会互相转换的。在脏字典中查找键值对次数足够多的时候，`sync.Map`会把脏字典直接作为只读字典，保存在它的`read`字段中，然后把代表脏字典的`dirty`字段的值置为`nil`。 在这之后，一旦再有新的键值对存入，它就会依据只读字典去重建脏字典。这个时候，它会把只读字典中已被逻辑删除的键值对过滤掉。理所当然，这些转换操作肯定都需要在锁的保护下进行。 综上所述，`sync.Map`的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。 由于只读字典中键的集合不能被改变，所以其中的键值对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，并且其中不会包含已被逻辑删除的键值对。 因此，可以看出，在读操作有很多但写操作却很少的情况下，并发安全字典的性能往往会更好。在几个写操作当中，新增键值对的操作对并发安全字典的性能影响是最大的，其次是删除操作，最后才是修改操作。 如果被操作的键值对已经存在于`sync.Map`的只读字典中，并且没有被逻辑删除，那么修改它并不会使用到锁，对其性能的影响就会很小。 ### 总结 这两篇文章中，我们讨论了`sync.Map`类型，并谈到了怎样保证并发安全字典中的键和值的类型正确性。 为了进一步明确并发安全字典中键值的实际类型，这里大致有两种方案可选。其中一种方案是，在编码时就完全确定键和值的类型，然后利用 Go 语言的编译器帮我们做检查。另一种方案是，接受动态的类型设置，并在程序运行的时候通过反射操作进行检查。 这两种方案各有利弊，前一种方案在扩展性方面有所欠缺，而后一种方案通常会影响到程序的性能。在实际使用的时候，我们一般都需要通过客观的测试来帮助决策。 另外，在有些时候，与单纯使用原生字典和互斥锁的方案相比，使用`sync.Map`可以显著地减少锁的争用。`sync.Map`本身确实也用到了锁，但是，它会尽可能地避免使用锁。 这就要说到`sync.Map`对其持有两个原生字典的巧妙使用了。这两个原生字典一个被称为只读字典，另一个被称为脏字典。通过对它们的分析，我们知道了并发安全字典的适用场景，以及每种操作对其性能的影响程度。 ### 思考题 今天的思考题是：关于保证并发安全字典中的键和值的类型正确性，你还能想到其他的方案吗？ [戳此查看 Go 语言专栏文章配套详细代码。](https://github.com/hyper0x/Golang_Puzzlers) ![](https://static001.geekbang.org/resource/image/35/48/358e4e8578a706598e18a7dfed3ed648.jpg)