JVM、Go 和 Rust 各自有独特的方法来处理数据竞争：

  • JVM 使用 happens-before 关系和 volatile 变量
  • Go 采用简单的哲学：“不要通过共享内存来通信；通过通信来共享内存”
  • Rust 使用其著名的借用检查器和所有权系统

让我们来解读这些差异，看看它们如何影响我们的编码实践。

什么是数据竞争？

在深入探讨之前，让我们确保我们在同一页面上。数据竞争发生在单个进程中的两个或多个线程同时访问同一内存位置，并且至少有一个访问是写操作。这就像多个厨师试图在没有任何协调的情况下向同一个锅中添加配料——结果就是混乱！

JVM：经验丰富的老手

Java 对内存模型的方法多年来不断演变，但仍然在很大程度上依赖于 happens-before 关系和 volatile 变量的使用。

Happens-Before 关系

在 Java 中，happens-before 关系确保一个线程中的内存操作以可预测的顺序对另一个线程可见。这就像为其他线程留下面包屑的踪迹。

这是一个简单的例子：


class HappensBefore {
    int x = 0;
    boolean flag = false;

    void writer() {
        x = 42;
        flag = true;
    }

    void reader() {
        if (flag) {
            assert x == 42; // 这将始终为真
        }
    }
}

在这种情况下，对 x 的写操作发生在对 flag 的写操作之前，而对 flag 的读取发生在对 x 的读取之前。

Volatile 变量

Java 中的 volatile 变量提供了一种确保变量更改立即对其他线程可见的方法。这就像在你的变量上方放一个大霓虹灯，告诉大家：“嘿，看我！我可能会改变！”


public class VolatileExample {
    private volatile boolean flag = false;

    public void writer() {
        // 一些耗时的计算
        flag = true;
    }

    public void reader() {
        while (!flag) {
            // 等待直到 flag 变为 true
        }
        // 在 flag 设置后执行某些操作
    }
}

JVM 方法：优缺点

优点：

  • 成熟且广泛理解
  • 提供对线程同步的细粒度控制
  • 支持复杂的并发模式

缺点：

  • 如果使用不当，可能容易出错
  • 可能导致过度同步，影响性能
  • 需要对 Java 内存模型有深入理解

Go：保持简单，Gopher

Go 通过其口号“不要通过共享内存来通信；通过通信来共享内存”采用了一种令人耳目一新的简单方法。这就像告诉你的同事：“不要在办公室里到处贴便条；直接交流！”

通道：Go 的秘密武器

Go 的主要安全并发编程机制是通道。它们为 goroutine（Go 的轻量级线程）提供了一种无需显式锁定即可进行通信和同步的方法。


func worker(done chan bool) {
    fmt.Print("working...")
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println("done")
    done <- true
}

func main() {
    done := make(chan bool, 1)
    go worker(done)
    <-done
}

在这个例子中，主 goroutine 通过从 done 通道接收来等待工作者完成。

Sync 包：当你需要更多控制时

虽然通道是首选方式，但 Go 也通过其 sync 包提供传统的同步原语，以应对需要更细粒度控制的情况。


var mu sync.Mutex
var count int

func increment() {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    count++
}

Go 方法：优缺点

优点：

  • 简单直观的并发模型
  • 默认鼓励安全实践
  • 轻量级 goroutine 使并发编程更易于访问

缺点：

  • 可能不适合所有类型的并发问题
  • 如果通道使用不当，可能导致死锁
  • 比更显式的同步方法灵活性差

Rust：新来的治安官

Rust 通过其所有权系统和借用检查器对内存安全和并发采取了独特的方法。这就像有一个严格的图书管理员，确保没有两个人同时在同一本书上写字。

所有权和借用

Rust 的所有权规则是其内存安全保证的基础：

  1. Rust 中的每个值都有一个称为其所有者的变量。
  2. 一次只能有一个所有者。
  3. 当所有者超出范围时，该值将被删除。

借用检查器在编译时强制执行这些规则，防止许多常见的并发错误。


fn main() {
    let mut x = 5;
    let y = &mut x;  // 对 x 的可变借用
    *y += 1;
    println!("{}", x);  // 如果我们尝试在这里使用 x，将无法编译
}

无畏并发

Rust 的所有权系统扩展到其并发模型，允许“无畏并发”。编译器在编译时防止数据竞争。


use std::thread;
use std::sync::Arc;

fn main() {
    let data = Arc::new(vec![1, 2, 3]);
    let mut handles = vec![];

    for i in 0..3 {
        let data = Arc::clone(&data);
        handles.push(thread::spawn(move || {
            println!("Thread {} has data: {:?}", i, data);
        }));
    }

    for handle in handles {
        handle.join().unwrap();
    }
}

在这个例子中，Arc（原子引用计数）用于安全地跨线程共享不可变数据。

Rust 方法：优缺点

优点：

  • 在编译时防止数据竞争
  • 强制安全的并发编程实践
  • 为性能提供零成本抽象

缺点：

  • 学习曲线陡峭
  • 对某些编程模式可能有约束
  • 由于与借用检查器的斗争，开发时间增加

比较苹果、橙子和……螃蟹？

现在我们已经了解了 JVM、Go 和 Rust 如何处理数据竞争，让我们将它们并排比较：

语言/运行时 方法 优点 缺点
JVM Happens-before，volatile 变量 灵活性，成熟的生态系统 复杂性，潜在的微妙错误
Go 通道，“通过通信共享内存” 简单性，内置并发 控制较少，潜在的死锁
Rust 所有权系统，借用检查器 编译时安全性，性能 学习曲线陡峭，限制性

那么，你应该选择哪一个？

就像编程中的大多数事情一样，答案是：视情况而定。以下是一些指导原则：

  • 如果你需要灵活性并且有一个熟悉其并发模型的团队，请选择 JVM。
  • 如果你想要简单性和内置的并发支持，请选择 Go。
  • 如果你需要最大性能并愿意投入时间学习其独特的方法，请选择 Rust。

总结

我们已经穿越了内存模型和数据竞争预防的领域，从 JVM 的成熟路径到 Go 的地鼠洞穴，再到 Rust 的螃蟹海岸。每种语言都有自己的哲学和方法，但它们都旨在帮助我们编写更安全、更高效的并发代码。

记住，无论你选择哪种语言，避免数据竞争的关键是理解基本原理并遵循最佳实践。祝编码愉快，愿你的线程始终和谐共处！

“在并发编程的世界中，偏执不是一个错误，而是一个特性。” - 匿名开发者

思考的食粮

在我们结束时，这里有一些问题供你思考：

  • 这些不同的并发方法如何影响你下一个项目的设计？
  • 是否有某些场景中一种方法明显优于其他方法？
  • 随着硬件的不断变化，你认为这些内存模型将如何演变？

在下面的评论中分享你的想法。让我们继续讨论！