#2020学习打卡##Go语言高级编程# Golang的内存模型
什么是内存模型
首先内存模型并不是指arena/spans/bitmap（如下图）。这些是内存划分。
为了保证共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性），内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。
通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令执行的正确性。它与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关。
它解决了 CPU 多级缓存、指令重排等导致的内存访问问题，保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。
上面提到，内存模型与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关，那么我们在编写Go程序的时候，需要去了解CPU等底层特性吗？其实是不需要的！因为内存模型是抽象的，在不同的平台下，编译器会生成合适的内存屏障，帮我们屏蔽了底层的差异。这里将面向抽象编程的思想体现的淋漓尽致！
Golang的内存模型
Happens Before 是内存模型中一个通用的概念，Go 中也定义了Happens Before以及各种发生Happens Before关系的操作，因为有了这些Happens Before操作的保证，我们写的多goroutine的程序才会按照我们期望的方式来工作。
什么是Happens Before关系
Happens Before定义了两个操作间的偏序关系，具有传递性。对于两个操作E1和E2：
Happens Before的作用
Happens Before主要是用来保证内存操作的可见性。如果要保证E1的内存写操作能够被E2读到，那么需要满足：
为什么需要定义Happens Before关系来保证内存操作的可见性呢？原因是没有限制的情况下，编译器和CPU使用的各种优化，会对此造成影响，具体的来说就是操作重排序和CPU CacheLine缓存同步：
举例来说，看一个多Goroutine的程序：
而Happens Before关系，就是对编译器和CPU的限制，禁止违反Happens Before关系的指令重排序及乱序执行行为，以及必要的情况下保证CacheLine的数据更新等。
Go 中定义的Happens Before保证
1) 单线程
在单线程环境下，所有的表达式，按照代码中的先后顺序，具有Happens Before关系。
CPU和正确实现的编译器，对单线程情况下的Happens Before关系，都是有保障的。这并不是说编译器或者CPU不能做重排序，只要优化没有影响到Happens Before关系就是可以的。这个依据在于分析数据的依赖性，数据没有依赖的操作可以重排序。
比如以下程序:
2) Init 函数
如果包P1中导入了包P2，则P2中的init函数Happens Before 所有P1中的操作
main函数Happens After 所有的init函数
3) Goroutine
Goroutine的创建Happens Before所有此Goroutine中的操作
Goroutine的销毁Happens After所有此Goroutine中的操作
我们上面提到的Sample Routine 1，按照规则1， E1 Happens before G1，按照本规则，G1 Happens Before E2，从而E1 Happens Before E2。
4) Channel
首先注意这里面，send和send完成，这是两个事件，receive和receive完成也是两个事件。
然后，Buffered Channel这里有个坑，它的Happens Before保证比UnBuffered 弱，这个弱只在【在receive之前写，在send之后读】这种情况下有问题。而【在send之前写，在receive之后读】，这样用是没问题的，这也是我们通常写程序常用的模式，千万注意这里不要弄错！
5) Lock
Go里面有Mutex和RWMutex两种锁，RWMutex除了支持互斥的Lock/Unlock，还支持共享的RLock/RUnlock。
简单理解就是这一次的Lock总是Happens After上一次的Unlock，读写锁的RLock HappensAfter上一次的UnLock，其对应的RUnlock Happens Before 下一次的Lock。
6) Once
once.Do中执行的操作，Happens Before 任何一个once.Do调用的返回。
如果你对JVM的内存模型及定义的Happens Before关系都有所了解，那么这里对Go的内存模型的讲解与之非常类似，理解起来会非常容易。太阳底下无新鲜事，了解了一种语言的内存模型设计，其他类似的语言也就都可以很容易的理解了。如果是前端或者使用node的程序员，那么你压根就不需要清楚这些，毕竟始终只有一个线程在跑是吧。
扩展阅读：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/29108170
https://studygolang.com/articles/22523
https://www.jianshu.com/p/2a43997c5d2e
https://www.jianshu.com/p/b9186dbebe8e
首先内存模型并不是指arena/spans/bitmap（如下图）。这些是内存划分。
为了保证共享内存的正确性（可见性、有序性、原子性），内存模型定义了共享内存系统中多线程程序读写操作行为的规范。
通过这些规则来规范对内存的读写操作，从而保证指令执行的正确性。它与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关。
它解决了 CPU 多级缓存、指令重排等导致的内存访问问题，保证了并发场景下的一致性、原子性和有序性。
上面提到，内存模型与处理器有关、与缓存有关、与并发有关、与编译器也有关，那么我们在编写Go程序的时候，需要去了解CPU等底层特性吗？其实是不需要的！因为内存模型是抽象的，在不同的平台下，编译器会生成合适的内存屏障，帮我们屏蔽了底层的差异。这里将面向抽象编程的思想体现的淋漓尽致！
Golang的内存模型
Happens Before 是内存模型中一个通用的概念，Go 中也定义了Happens Before以及各种发生Happens Before关系的操作，因为有了这些Happens Before操作的保证，我们写的多goroutine的程序才会按照我们期望的方式来工作。
什么是Happens Before关系
Happens Before定义了两个操作间的偏序关系，具有传递性。对于两个操作E1和E2：
- 如果E1 Happens Before E2， 则E2 Happens After E1；
- 如果E1 Happens E2， E2 Happens Before E3，则E1 Happens E3；
- 如果 E1 和 E2没有任何Happens Before关系，则说E1和E2 Happen Concurrently。
Happens Before的作用
Happens Before主要是用来保证内存操作的可见性。如果要保证E1的内存写操作能够被E2读到，那么需要满足：
- E1 Happens Before E2；
- 其他所有针对此内存的写操作，要么Happens Before E1，要么Happens After E2。也就是说不能存在其他的一个写操作E3，这个E3 Happens Concurrently E1/E2。
为什么需要定义Happens Before关系来保证内存操作的可见性呢？原因是没有限制的情况下，编译器和CPU使用的各种优化，会对此造成影响，具体的来说就是操作重排序和CPU CacheLine缓存同步：
- 操作重排序。现代CPU通常是流水线架构，且具有多个核心，这样多条指令就可以同时执行。然而有时候出现一条指令需要等待之前指令的结果，或是其他造成指令执行需要延迟的情况。这个时候可以先执行下一条已经准备好的指令，以尽可能高效的利用CPU。操作重排序可以在两个阶段出现：
- 编译器指令重排序
- CPU乱序执行
- CPU 多核心间独立Cache Line的同步问题。多核CPU通常有自己的一级缓存和二级缓存，访问缓存的数据很快。但是如果缓存没有同步到主存和其他核心的缓存，其他核心读取缓存就会读到过期的数据。
举例来说，看一个多Goroutine的程序：
// Sample Routine 1对此来讲解：
func happensBeforeMulti(i int) {
i += 2 // E1
go func() { // G1 goroutine create
fmt.Println(i) // E2
}() // G2 goroutine destryo
}
- 如果编译器或者CPU进行了重排序，那么E1的指令可能在E2之后执行，从而输出错误的值；
- 变量i被CPU缓存到Cache Line中，E1对i的修改只改写了Cache Line，没有写回主存；而E2在另外的goroutine执行，如果和E1不是在同一个核上，那么E2输出的就是错误的值。
而Happens Before关系，就是对编译器和CPU的限制，禁止违反Happens Before关系的指令重排序及乱序执行行为，以及必要的情况下保证CacheLine的数据更新等。
Go 中定义的Happens Before保证
1) 单线程
在单线程环境下，所有的表达式，按照代码中的先后顺序，具有Happens Before关系。
CPU和正确实现的编译器，对单线程情况下的Happens Before关系，都是有保障的。这并不是说编译器或者CPU不能做重排序，只要优化没有影响到Happens Before关系就是可以的。这个依据在于分析数据的依赖性，数据没有依赖的操作可以重排序。
比如以下程序:
// Sample Routine 2E1和E2之间，执行顺序是没有关系的，只要保证E3没有被乱序到E1和E2之前执行就可以。
func happsBefore(i int, j int) {
i += 2 // E1
j += 10 // E2
fmt.Println(i + j) //E3
}
2) Init 函数
如果包P1中导入了包P2，则P2中的init函数Happens Before 所有P1中的操作
main函数Happens After 所有的init函数
3) Goroutine
Goroutine的创建Happens Before所有此Goroutine中的操作
Goroutine的销毁Happens After所有此Goroutine中的操作
我们上面提到的Sample Routine 1，按照规则1， E1 Happens before G1，按照本规则，G1 Happens Before E2，从而E1 Happens Before E2。
4) Channel
- 对一个元素的send操作Happens Before对应的receive 完成操作
- 对channel的close操作Happens Before receive 端的收到关闭通知操作
- 对于Unbuffered Channel，对一个元素的receive 操作Happens Before对应的send完成操作
- 对于Buffered Channel，假设Channel 的buffer 大小为C，那么对第k个元素的receive操作，Happens Before第k+C个send完成操作。可以看出上一条Unbuffered Channel规则就是这条规则C=0时的特例
首先注意这里面，send和send完成，这是两个事件，receive和receive完成也是两个事件。
然后，Buffered Channel这里有个坑，它的Happens Before保证比UnBuffered 弱，这个弱只在【在receive之前写，在send之后读】这种情况下有问题。而【在send之前写，在receive之后读】，这样用是没问题的，这也是我们通常写程序常用的模式，千万注意这里不要弄错！
// Channel routine 1
var c = make(chan int)
var a string
func f() {
a = "hello, world"
<-c
}
func main() {
go f()
c <- 0
print(a)
}
// Channel routine 2
var c = make(chan int, 10)
var a string
func f() {
a = "hello, world"
<-c
}
func main() {
go f()
c <- 0
print(a)
}
// Channel routine 3比如上面这三个程序，使用channel来做同步，程序1和程序3是能够保证Happens Before关系的，程序2则不能够，也就是程序可能不会按照期望输出"hello, world"。
var c = make(chan int, 10)
var a string
func f() {
a = "hello, world"
c <- 0
}
func main() {
go f()
<-c
print(a)
}
5) Lock
Go里面有Mutex和RWMutex两种锁，RWMutex除了支持互斥的Lock/Unlock，还支持共享的RLock/RUnlock。
- 对于一个Mutex/RWMutex，设n < m，则第n个Unlock操作Happens Before第m个Lock操作。
- 对于一个RWMutex，存在数值n，RLock操作Happens After 第n个UnLock，其对应的RUnLockHappens Before 第n+1个Lock操作。
简单理解就是这一次的Lock总是Happens After上一次的Unlock，读写锁的RLock HappensAfter上一次的UnLock，其对应的RUnlock Happens Before 下一次的Lock。
6) Once
once.Do中执行的操作，Happens Before 任何一个once.Do调用的返回。
如果你对JVM的内存模型及定义的Happens Before关系都有所了解，那么这里对Go的内存模型的讲解与之非常类似，理解起来会非常容易。太阳底下无新鲜事，了解了一种语言的内存模型设计，其他类似的语言也就都可以很容易的理解了。如果是前端或者使用node的程序员，那么你压根就不需要清楚这些，毕竟始终只有一个线程在跑是吧。
扩展阅读：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/29108170
https://studygolang.com/articles/22523
https://www.jianshu.com/p/2a43997c5d2e
https://www.jianshu.com/p/b9186dbebe8e
