Golang笔记——数组、Slice、Map、Channel的并发安全性

大家好，这里是Good Note，关注 公主号：Goodnote，专栏文章私信限时Free。本文详细介绍Golang常用数据类型的并发安全性，特别是复合数据类型（数组、Slice、Map、Channel）的并发安全性。

文章目录

• • 线程安全（Thread Safety）定义
  • 1. 数组
  • • 非并发安全性
    • 高并发下的使用注意
    • 示例
    • • 并发写入数组（需加锁）
  • 2. 切片
  • • 非并发安全性
    • 高并发下的使用注意
    • 示例
    • • 并发写入切片（需加锁）
      • 错误示例：并发读写切片
  • 3. Map
  • • 非并发安全性
    • 高并发下的使用注意
    • 示例
    • • 错误示例
      • 正确用法 1：使用 `sync.Map`
      • 正确用法 2：使用 `sync.Mutex`
  • 4. Channel
  • • 并发安全性
    • 高并发下的使用注意
    • 示例
    • • 正确用法
      • 错误示例：多次关闭 `channel`
  • 总结
  • 历史文章
  • • MySQL数据库
    • Redis
    • Golang

线程安全（Thread Safety）定义

线程安全（Thread Safety） 是指在多线程（或多 Goroutine）环境下，多个线程或 Goroutine 同时访问共享数据时，不会导致数据不一致或程序出现异常行为的特性。

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1. 数组

非并发安全性

• 不线程安全：数组是 Go 的值类型，对同一个数组的并发访问（读或写）会导致数据竞争。
• 特点：
  1. 多个 Goroutine 对同一个数组同时进行写操作可能会破坏数据一致性。
  2. 如果仅进行并发读操作，数组是线程安全的。

高并发下的使用注意

1. 对数组的读写操作需要通过锁（如 sync.Mutex 或 sync.RWMutex）或其他同步机制来保护。
2. 如果对数组进行复制后再操作，副本是独立的，可以避免并发问题。
3. 在高并发场景中，直接使用数组的性能和扩展性较差，建议使用切片或其他并发友好的数据结构。

1. 数组的固定大小和值类型特性导致性能和扩展性较差，需要显式的锁机制来确保线程安全。
2. 切片通过动态扩容和引用传递解决了数组的局限性，并提供更高的灵活性和更低的内存开销，因此更适合高并发场景。

示例

并发写入数组（需加锁）

package mainimport ("fmt""sync"
)func main() {var arr = [5]int{}var mu sync.Mutexvar wg sync.WaitGroupfor i := 0; i < len(arr); i++ {wg.Add(1)go func(index int) {defer wg.Done()mu.Lock()arr[index] = index * 10mu.Unlock()}(i)}wg.Wait()fmt.Println(arr)
}

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2. 切片

非并发安全性

• 不线程安全：切片是对底层数组的引用。高并发下对同一个切片的操作（如扩容、写入等）会导致数据竞争或崩溃。
• 问题来源：
  1. 切片的长度和容量在运行时动态变化，扩容操作会重新分配底层数组，并可能导致未同步的 Goroutine 操作过期引用。
  2. 并发写入或同时进行读写会破坏底层数据的一致性。

高并发下的使用注意

1. 读写分离：
   • 如果多个 Goroutine 并发读切片，而没有写入操作，则是线程安全的。
   • 一旦存在写操作，需要使用同步机制（如 sync.Mutex 或 sync.RWMutex）保护。
2. 扩容风险：
   • 切片扩容时会重新分配底层数组，建议在并发环境中提前设置好切片的容量，避免动态扩容带来的问题。

示例

并发写入切片（需加锁）

package mainimport ("fmt""sync"
)func main() {slice := []int{}var mu sync.Mutexvar wg sync.WaitGroupfor i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1)go func(val int) {defer wg.Done()mu.Lock()slice = append(slice, val)mu.Unlock()}(i)}wg.Wait()fmt.Println(slice)
}

输出：

• 解释：并发写入切片的操作使用了 sync.Mutex，这确保了同一时刻只有一个 Goroutine 能访问切片并进行 append 操作，因此数据不会发生竞争，程序不会崩溃。
• 输出的顺序：slice 最终会包含从 0 到 9 的所有数字，但由于并发执行的特性，数字的顺序通常是无序的。这是因为虽然对切片的写操作是互斥的，但 Goroutine 执行的顺序依然是不可预测的，所以 append 操作的顺序也无法保证。

如果希望按照顺序（0-9）输出，可以通过使用 channel 来保证按顺序收集并输出结果，或使用其他同步方式如 sync.Once 来协调。这属于Go协程同步的问题。

错误示例：并发读写切片

package mainimport ("fmt""sync"
)func main() {var wg sync.WaitGroupslice := []int{}for i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1) // 为每个 Goroutine 添加一个计数go func(val int) {defer wg.Done()            // 每个 Goroutine 执行完成后，计数器减一slice = append(slice, val) // 并发写入切片}(i)}wg.Wait()          // 等待所有 Goroutine 执行完毕fmt.Println(slice) // 输出结果
}

输出：

• 输出个数不确定：因为并发写入时发生了数据竞争，切片在扩容时可能丢失元素。
• append 会在切片的底层数组容量不足时进行扩容，这个扩容过程是 不安全的，并且切片的底层数组是指向连续内存空间的。如果多个 Goroutine 同时执行 append 操作并且触发了扩容，就可能导致数据丢失或不可预期的行为。

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3. Map

非并发安全性

• 不线程安全：Go 的原生 map 类型在并发访问时不安全，直接进行并发读写会导致数据竞争或运行时崩溃（fatal error: concurrent map read and map write）。
• 原因：
  1. map 的底层实现没有锁机制，多个 Goroutine 同时修改 map 的内部结构会破坏其一致性。
  2. 读写操作之间没有同步机制，可能导致部分数据状态不一致。

高并发下的使用注意

1. 使用 sync.Map：
   • sync.Map 是线程安全的 map，支持高并发场景。
   • 缺点：性能可能低于加锁的原生 map，尤其在频繁读写情况下。
2. 使用 锁机制：
   • 使用 sync.Mutex 或 sync.RWMutex 对原生 map 加锁。

示例

错误示例

package mainimport ("fmt""sync"
)func main() {m := make(map[int]int)var wg sync.WaitGroupfor i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1)go func(val int) {defer wg.Done()m[val] = val}(i)}wg.Wait()fmt.Println(m)
}

输出：fatal error: concurrent map writes

正确用法 1：使用 sync.Map

package mainimport ("fmt""sync"
)func main() {var m sync.Mapvar wg sync.WaitGroupfor i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1)go func(val int) {defer wg.Done()m.Store(val, val) // 并发安全的写入}(i)}wg.Wait()// 遍历 sync.Mapm.Range(func(key, value any) bool {fmt.Printf("key: %v, value: %v\n", key, value)return true})
}

输出示例：

key: 0, value: 0
key: 9, value: 9
key: 7, value: 7
key: 3, value: 3
key: 5, value: 5
key: 2, value: 2
key: 6, value: 6
key: 8, value: 8
key: 4, value: 4
key: 1, value: 1

正确用法 2：使用 sync.Mutex

package mainimport ("fmt""sync"
)func main() {m := make(map[int]int)var mu sync.Mutexvar wg sync.WaitGroupfor i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1)go func(val int) {defer wg.Done()mu.Lock()m[val] = valmu.Unlock()}(i)}wg.Wait()fmt.Println(m)
}

输出示例：

map[0:0 1:1 2:2 3:3 4:4 5:5 6:6 7:7 8:8 9:9]

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4. Channel

并发安全性

channel的源码中使用了互斥锁，不允许并发读写。详细参考：Go语言面试之——channel

• 线程安全：Go 的 channel 是线程安全的，支持在多个 Goroutine 中并发进行读写操作。
• 注意事项：
  1. 关闭 channel：
     • 关闭一个 channel 必须由单个 Goroutine 执行，多个 Goroutine 并发关闭会导致运行时错误（panic: close of closed channel）。
  2. 读写阻塞：
     • 如果没有消费者读取数据，发送到 channel 的数据会阻塞发送 Goroutine。
     • 如果没有生产者发送数据，读取 channel 会阻塞接收 Goroutine。

高并发下的使用注意

1. 保证关闭操作由单一 Goroutine 处理。
2. 根据需求设置缓冲区大小：
   • 对于高并发场景，可以使用带缓冲的 channel 来提高性能。
3. 避免死锁：
   • 设计时确保 channel 的生产者和消费者平衡。

示例

正确用法

package mainimport ("fmt""sync"
)func main() {ch := make(chan int, 5)var wg sync.WaitGroup// 并发写入for i := 0; i < 5; i++ {wg.Add(1)go func(val int) {defer wg.Done()ch <- val}(i)}// 关闭通道go func() {wg.Wait()close(ch) // 单一 Goroutine 负责关闭}()// 读取数据for val := range ch {fmt.Println(val)}
}

错误示例：多次关闭 channel

package mainfunc main() {ch := make(chan int)go func() {close(ch) // 第一次关闭}()go func() {close(ch) // 第二次关闭，导致 panic}()select {}
}

输出异常：panic: close of closed channel

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总结

数据结构	是否线程安全	高并发注意事项
数组	否	需要加锁保护访问；在并发场景中，数组性能较差，建议使用切片或其他更灵活的结构。
切片	否	切片是引用类型，需要加锁保护并发访问，尤其是扩容场景；多读无写时是线程安全的。
Map	否	使用 sync.Map 或加锁实现并发安全；直接并发读写会导致数据竞争或崩溃。
Channel	是	本身线程安全；但关闭操作需由单一 Goroutine 执行，避免多次关闭或不平衡的生产者/消费者造成死锁。

通过合理的设计和同步机制，可以在高并发场景中安全地使用这些数据结构。

历史文章

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1. Golang笔记——语言基础知识
2. Golang笔记——切片与数组
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5. Golang笔记——channel
6. Golang笔记——Interface类型