通過 SingleFlight 模式學習 Go 併發程式設計

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最近接觸到微服務框架go-zero,翻看了整個框架程式碼,發現結構清晰、程式碼簡潔,所以決定閱讀原始碼學習下,本次閱讀的原始碼位於core/syncx/singleflight.go

go-zeroSingleFlight的作用是:將併發請求合併成一個請求,以減少對下層服務的壓力。

應用場景

  1. 查詢快取時,合併請求,提升服務效能。 假設有一個 IP 查詢的服務,每次使用者請求先在快取中查詢一個 IP 的歸屬地,如果快取中有結果則直接返回,不存在則進行 IP 解析操作。

如上圖所示,n 個使用者請求查詢同一個 IP(8.8.8.8)就會對應 n 個 Redis 的查詢,在高併發場景下,如果能將 n 個 Redis 查詢合併成一個 Redis 查詢,那麼效能肯定會提升很多,而 SingleFlight就是用來實現請求合併的,效果如下:

  1. 防止快取擊穿。

> 快取擊穿問題是指:在高併發的場景中,大量的請求同時查詢一個 key ,如果這個 key 正好過期失效了,就會導致大量的請求都打到資料庫,導致資料庫的連線增多,負載上升。

通過SingleFlight可以將對同一個Key的併發請求進行合併,只讓其中一個請求到資料庫進行查詢,其他請求共享同一個結果,可以很大程度提升併發能力。

應用方式

直接上程式碼:

func main() {
  round := 10
  var wg sync.WaitGroup
  barrier := syncx.NewSingleFlight()
  wg.Add(round)
  for i := 0; i < round; i++ {
    go func() {
      defer wg.Done()
      // 啟用10個協程模擬獲取快取操作
      val, err := barrier.Do("get_rand_int", func() (interface{}, error) {
        time.Sleep(time.Second)
        return rand.Int(), nil
      })
      if err != nil {
        fmt.Println(err)
      } else {
        fmt.Println(val)
      }
    }()
  }
  wg.Wait()
}

以上程式碼,模擬 10 個協程請求 Redis 獲取一個 key 的內容,程式碼很簡單,就是執行Do()方法。其中,接收兩個引數,第一個引數是獲取資源的標識,可以是 redis 中快取的 key,第二個引數就是一個匿名函式,封裝好要做的業務邏輯。最終獲得的結果如下:

5577006791947779410
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5577006791947779410
5577006791947779410
5577006791947779410

從上看出,10個協程都獲得了同一個結果,也就是隻有一個協程真正執行了rand.Int()獲取了隨機數,其他的協程都共享了這個結果。

原始碼解析

先看程式碼結構:

type (
  // 定義介面,有2個方法 Do 和 DoEx,其實邏輯是一樣的,DoEx 多了一個標識,主要看Do的邏輯就夠了
  SingleFlight interface {
    Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (interface{}, error)
    DoEx(key string, fn func() (interface{}, error)) (interface{}, bool, error)
  }
  // 定義 call 的結構
  call struct {
    wg  sync.WaitGroup // 用於實現通過1個 call,其他 call 阻塞
    val interface{}    // 表示 call 操作的返回結果
    err error          // 表示 call 操作發生的錯誤
  }
  // 總控結構,實現 SingleFlight 介面
  flightGroup struct {
    calls map[string]*call // 不同的 call 對應不同的 key
    lock  sync.Mutex       // 利用鎖控制請求
  }
)

然後看最核心的Do方法做了什麼事情:

func (g *flightGroup) Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (interface{}, error) {
  c, done := g.createCall(key)
  if done {
    return c.val, c.err
  }

  g.makeCall(c, key, fn)
  return c.val, c.err
}

程式碼很簡潔,利用g.createCall(key)對 key 發起 call 請求(其實就是做一件事情),如果此時已經有其他協程已經在發起 call 請求就阻塞住(done 為 true 的情況),等待拿到結果後直接返回。如果 done 是 false,說明當前協程是第一個發起 call 的協程,那麼就執行g.makeCall(c, key, fn)真正地發起 call 請求(此後的其他協程就阻塞在了g.createCall(key))。

從上圖可知,其實關鍵就兩步:

  1. 判斷是第一個請求的協程(利用map)
  2. 阻塞住其他所有協程(利用 sync.WaitGroup)

來看下g.createCall(key)如何實現的:

func (g *flightGroup) createCall(key string) (c *call, done bool) {
  g.lock.Lock()
  if c, ok := g.calls[key]; ok {
    g.lock.Unlock()
    c.wg.Wait()
    return c, true
  }

  c = new(call)
  c.wg.Add(1)
  g.calls[key] = c
  g.lock.Unlock()

  return c, false
}

先看第一步:判斷是第一個請求的協程(利用map)

g.lock.Lock()
if c, ok := g.calls[key]; ok {
  g.lock.Unlock()
  c.wg.Wait()
  return c, true
}

此處判斷 map 中的 key 是否存在,如果已經存在,說明已經有其他協程在請求了,當前這個協程只需要等待,等待是利用了sync.WaitGroupWait()方法實現的,此處還是很巧妙的。要注意的是,map 在 Go 中是非併發安全的,所以需要加鎖。

再看第二步:阻塞住其他所有協程(利用 sync.WaitGroup)

c = new(call)
c.wg.Add(1)
g.calls[key] = c

因為是第一個發起 call 的協程,所以需要 new 這個 call,然後將wg.Add(1),這樣就對應了上面的wg.Wait(),阻塞剩下的協程。隨後將 new 的 call 放入 map 中,注意此時只是完成了初始化,並沒有真正去執行call請求,真正的處理邏輯在 g.makeCall(c, key, fn)中。

func (g *flightGroup) makeCall(c *call, key string, fn func() (interface{}, error)) {
  defer func() {
    g.lock.Lock()
    delete(g.calls, key)
    g.lock.Unlock()
    c.wg.Done()
  }()

  c.val, c.err = fn()
}

這個方法中做的事情很簡單,就是執行了傳遞的匿名函式fn()(也就是真正call請求要做的事情)。最後處理收尾的事情(通過defer),也是分成兩步:

  1. 刪除 map 中的 key,使得下次發起請求可以獲取新的值。
  2. 呼叫wg.Done(),讓之前阻塞的協程全部獲得結果並返回。

至此,SingleFlight 的核心程式碼就解析完畢了,雖然程式碼不長,但是這個思想還是很棒的,可以在實際工作中借鑑。

總結

  • map 非併發安全,記得加鎖。
  • 巧用 sync.WaitGroup 去完成需要阻塞控制協程的應用場景。
  • 通過匿名函式 fn 去封裝傳遞具體業務邏輯,在呼叫 fn 的上層函式中去完成統一的邏輯處理。

專案地址

https://github.com/zeromicro/go-zero

https://gitee.com/kevwan/go-zero

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