从一个data race问题学到的

前几天我在学习内存屏障的时候搜到一篇文章「Golang Memory Model」,其中在介绍 CPU 缓存一致性的时候提到一个例子,带给我一些困惑,本文记录下解惑过程。

既然是在介绍 CPU 缓存一致性的时候举的例子,那么理所应当与此有关,看代码:

package main

import "time"

func main() {
	running := true
	go func() {
		println("start thread1")
		count := 1
		for running {
			count++
		}
		println("end thread1: count =", count)
	}()
	go func() {
		println("start thread2")
		for {
			running = false
		}
	}()
	time.Sleep(time.Hour)
}

当我们通过「go run main.go」运行代码的时候,会发现第一个 goroutine 永远不会结束,就好像 running = false 没有生效一样。对此,文章把原因归结为 CPU 缓存一致性中的线程可见性问题,可是我前后看了几遍也没有看出个所以然来。细心的小伙伴不难发现代码存在 data race 问题:多个 goroutine 并发读写 running 变量,不过当我们通过「go run -race main.go」再次运行代码的时候,有趣的事情发生了,第一个 goroutine 正常结束了!

理论上,既然存在 data race 问题,那么出现什么结果都可能,但是好奇心驱使我继续研究了一下,这次使用的工具是 SSAhow to read),它可以展现出从源代码到汇编的过程中,编译器都做了哪些工作,并且可以把结果生成 html 文件:

shell> GOSSAFUNC=main go build -gcflags="-N -l" ./main.go

SSA 工具最方便的地方是它可以把源代码和汇编通过颜色对应起来:

main 函数的 ssa

main 函数的 ssa

说明:Golang 中的汇编一般指 Plan9 汇编,推荐阅读「plan9 assembly 完全解析」。

不过为什么「running = false」这行源代码没有对应的汇编呢?这是因为 SSA 的工作单位是函数,上面的结果是 main 函数的结果,而「running = false」实际上属于 main 函数里第 2 个 goroutine,相当于 main.func2,重新运行 SSA:

shell> GOSSAFUNC=main.func2 go build -gcflags="-N -l" ./main.go

如此一来就能看到「running = false」这行源代码对应的汇编了:

main.func2 函数的 ssa

main.func2 函数的 ssa

其中,PCDATA 是编译器插入的和 GC 相关的信息,在本例中可以忽略,剩下的几个 JMP 跳来跳去,好像是个圈哦,就是一个空 for,和「running = false」完全没有关系。

不过既然带有 race 检测的代码工作正常,那么不妨一并生成 SSA 看看结果如何:

shell> GOSSAFUNC=main.func2 go build -race -gcflags="-N -l" ./main.go

结果如下图所示,除了 JMP,还有 MOV 操作,正好对应「running = false」:

main.func2 函数的 ssa

main.func2 函数的 ssa

如此一来,我们的困惑终于解开了。问题代码中的循环之所以不会结束,和所谓的「CPU 缓存一致性中的线程可见性问题」并没有任何关系,只是因为编译器把部分代码看成死代码,直接优化掉了,这个过程称之为「Dead code elimination」,不过当激活 race 检测的时候,编译器并没有执行优化死代码的流程,所以看上去又正常了。

最后,推荐一篇文章,和本文的例子相似:谈谈 Golang 中的 Data Race(及)。

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