Go 内存模型：happens-before 原则
大家好，我是煎鱼。
在日常工作中，如果我们能够了解 Go 语言内存模型，那会带来非常大的作用。这样在看一些极端情况，又或是变态面试题的时候，就能够明白程序运行表现下的很多根本原因了。
当然，靠一篇普通文章讲完 Go 内存模型，不可能。因此今天这篇文章，把重点划在给大家讲解 Go 语言的 happens-before 原则这 1 个细节。
开吸，和煎鱼揭开他的神秘面纱！
内存模型定义是什么
既然要了解 happens-before 原则，我们得先知道 The Go Memory Model（Go 内存模型）定义的是什么，官方解释如下：
The Go memory model specifies the conditions under which reads of a variable in one goroutine can be guaranteed to observe values produced by writes to the same variable in a different goroutine.
在 Go 内存模型规定：“在一个 goroutine 中读取一个变量时，可以保证观察到不同 goroutine 中对同一变量的写入所产生的值” 的条件。
这是学习后续知识的一个大前提。
happens-before 是什么
Happens Before 是一个专业术语，与 Go 语言没有直接关系，也就是并非是特有的。用大白话来讲，其定义是：
在一个多线程程序中，假设存在 A 和 B 两个操作，如果 A 操作在 B 操作之前发生（A happens-before B），那么 A 操作对内存的影响将会对执行 B 的线程可见。
A 不一定 happens-before B
从 happens-before 定义来看，我们可以反过来想。那就是：
在同一个（相同）线程中，如果都执行 A 和 B 操作，并且 A 的声明一定在 B 之前，那么 A 一定先于（happens-before）B 发生。
以下述 Go 代码例子：
var A int
var B int
func main() {
A = B + 1 (1)
B = 1 (2)
}
该代码是在同一个 main goroutine，全局变量 A 在变量 B 之前声明。
在 main 函数中，代码行 (1)，也在代码行 (2) 之前。因此我们可以得出 (1) 一定会在 (2) 前执行，对吗？
答案是：错误的，因为 A happens-before B 并不意味着 A 操作一定会在 B 操作之前发生。
实际上在编译器中，上述代码在汇编的真正执行顺序如下：
0x0000 00000 (main.go:7) MOVQ "".B(SB), AX
0x0007 00007 (main.go:7) INCQ AX
0x000a 00010 (main.go:7) MOVQ AX, "".A(SB)
0x0011 00017 (main.go:8) MOVQ $1, "".B(SB)
-
(2)：加载 B 到寄存器 AX。
-
(2)：进行 B = 1 赋值，在代码中执行为 INCQ 自增。
-
(1)：将寄存器 AX 中值加上 1 后赋值给 A。
通过上述分析，我们可以得知。在代码行 (1) 在 (2) 之前，但确实 (2) 比 (1) 更早执行。
那么这是不是意味着违反了 happens-before 的设计原则，毕竟这可是同个线程里的操作，Go 编译器有 BUG？
其实不然，因为对 A 的赋值实质上对 B 的赋值没有影响。所以并没有违反 happens-before 的设计原则。
Go 语言中的 happens-before
在 《The Go Memory Model》 中，给出了 Go 语言中 Happens Before 的明确语言定义。
以下术语将会在介绍中用到：
-
变量 v：一个指代性的变量，用于示例演示。
-
读 r：代表读操作。
-
写 w：代表写操作。
定义
在满足如下两点条件下，允许对变量 v 的读 r 观察对 v 的写 w：
-
r 在 w 之前没有发生。
-
没有其他写到 v 的 w’ 发生在 w 之后但在 r 之前。
为了保证变量 v 的读 r 观察到对 v 的特定写 w，确保 w 是唯一允许 r 观察的写。
因此如果以下两点都成立，就能保证 r 能观察到 w ：
-
w 发生在 r 之前。
-
对共享变量 v 的任何其他写入都发生在 w 之前或 r 之后。
这看起来比较生涩，接下来我们以《The Go Memory Model》 中具体的 channel 例子来进行进一步说明，会更好理解一些。
Go Channel 实例
在 Go 语言中提倡不要通过共享内存来进行通讯；相反，应当通过通讯来共享内存：
Do not communicate by sharing memory; instead, share memory by communicating.
因此在 Go 工程中，Channel 是一个非常常用的语法。在原则上其需要遵守：
-
一个 channel 上的发送是在该 channel 的相应接收完成之前发生的。
-
channel 的关闭发生在接收之前，因为通道被关闭而返回一个零值。
-
一个无缓冲 channel 的接收发生在该 channel 的发送完成之前。
-
一个容量为 C 的 channel 上，第 k 次接收发生在该 channel 的第 k+C 次发送完成之前。
接下来根据这四条原则，我们逐一给出例子，用于学习和理解。
例子 1
Go channel 例子 1，你认为输出的结果是什么。如下：
var c = make(chan int, 10)
var a string
func f() {
a = "炸煎鱼" (1)
c <- 0 (2)
}
func main() {
go f()
<-c (3)
print(a) (4)
}
答案是空字符串吗？
程序最终结果是正常输出 “炸煎鱼” 的，原因如下：
-
(1) happens-before (2) 。
-
(4) happens-after (3)。
当然，最后 (1) 写入变量 a 的操作，必然 happens-before 于 (4) print 方法，因此正确的输出了 “炸煎鱼”。
能够满足 “一个 channel 上的发送是在该 channel 的相应接收完成之前发生的”。
例子 2
主要是确保了关闭管道时的行为。只需要在前面的例子中，替换 c <- 0 成 close(c) 就能够产生具有相同的行为保证的程序。
能够满足 “channel 的关闭发生在接收之前，因为通道被关闭而返回一个零值”。
例子 3
Go channel 例子 3，你认为输出的结果是什么。如下：
var c = make(chan int)
var a string
func f() {
a = "煎鱼进脑子了" (1)
<-c (2)
}
func main() {
go f()
c <- 0 (3)
print(a) (4)
}
答案是空字符串吗？
程序最终结果是正常输出 “煎鱼进脑子了” 的，原因如下：
-
(2) happens-before (3)。
-
(1) happens-before (4)。
能够满足 “一个无缓冲 channel 的接收发生在该 channel 的发送完成之前”。
如果我们把无缓冲改为 make(chan int, 1)，也就是带缓冲的 channel，则无法保证正常的输出 “煎鱼进脑子了”。
例子 4
Go channel 例子 4，这个程序为工作列表中的每个条目启动一个 goroutine，但 goroutine 使用 channel 进行协调，以确保每次最多只有三个工作函数在运行。
代码如下：
var limit = make(chan int, 3)
func main() {
for _, w := range work {
go func(w func()) {
limit <- 1
w()
<-limit
}(w)
}
select{}
}
能够满足 “一个容量为 C 的 channel 上，第 k 次接收发生在该 channel 的第 k+C 次发送完成之前”。
总结
在本文中，我们针对 happens-before 原则进行了基本的说明。同时结合 Go 语言中实际的 happens-before 和 happens-after 的场景进了展示和讲解。
实际上，在日常的开发工作中，happens-before 原则基本已经深入到潜意识中，就跟设计模式一样。会不知觉就应用到，但是若我们希望更进一步的对 Go 语言等内存模型就行研究和理解，就必须对这个基本理念有所认知。
你平时有没有注意到这块的问题呢，欢迎大家留言和讨论！
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参考
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The Go Memory Model
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Go内存模型&Happen-Before（一）
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GoLang 内存模型
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Golang happens before & channel
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Go 内存模型
