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Golang Singleflight 使用和原理

golang singleflight
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2021/01/18 Share

本文介绍 golang.org/x/sync/singleflight 包的使用和原理。

建议结合源码阅读本文

缓存击穿

在做高并发的服务时，不可避免的会遇到缓冲击穿的问题。缓冲击穿一般是说，当高并发流量缓存过期的情况下，出现大量请求从数据库读取相同数据的情况。这种情况下数据库的压力将瞬间增大。为了避免这种情况，一般有几种解决方案：
1. 缓存永不过期，缓存做主动更新。
2. 在使用缓存时，先检查缓存的过期时间，如果将要过期时，将过期时间延长到指定时间(避免其他服务也主动更新)，再主动做缓存更新(更新后，设置新的超时时间)。
3. 加互斥锁，在db查询结束后，统一返回数据。(本文主要使用介绍用singleflight 来实现该方法) 这种方法的弊端是，只是单进程限制同时只能有一个请求。

如何使用 singleflight 解决缓存击穿

在singleflight 包中，提供了一个同时只运行一次方法(fn)的接口。这个接口和我们需要解决的缓存击穿问题异曲同工，下面简单介绍包中的几个方法：

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type Result struct {                                                               
    Val    interface{}                                                             
    Err    error                                                                   
    Shared bool                                                                    
}          

// 同步返回结果
func (g *Group) Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (v interface{}, err error, shared bool) {}
// 返回channel，异步返回结果
func (g *Group) DoChan(key string, fn func() (interface{}, error)) <-chan Result {}
// 取新结果，不使用正在请求的结果
func (g *Group) Forget(key string){}

一个简单的例子

包中提供了同步访问和异步访问两种调用。我们需要用一个简单的例子来做说明:

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func main() {
  var count int32
  g := &singleflight.Group{}

  res := []<-chan singleflight.Result{}
  for i := 0; i < 10; i++ {
    key := "hello"
    res = append(res, g.DoChan("getdata", func() (interface{}, error) {
      // mock db query
      iter := atomic.AddInt32(&count, 1)
      time.Sleep(time.Duration(time.Microsecond))
      // return val
      return key + strconv.Itoa(int(iter)), nil
    }))
  }

  for i := 0; i < 10; i++ {
    dat := <-res[i]
    fmt.Println(dat.Val)
  }
}

上面例子中，我们 mock 了一个db读取的匿名方法，数据查询使用了1ms 的时间。返回值为 key + count 的值。
如果不用singleflight，我们取到的值，一定是key + 1…10，但是使用了之后，取到的结果都是 hello1在查询db时。仅查询了一次，将相同的查询归并为一条。结果可以证明singleflight 符合我们的预期，确实可以防止缓存击穿问题的发生。

singleflight 的实现

通过对singleflight包的使用，推测signleflight的实现只需要在执行fn时，判断当前是否有正在进行的fn，如果存在则等待查询结果；如果没有，则记录并执行fn。抽象的来说，就是希望同一个 key 指定的fn，同时仅执行一次，减少fn的调用次数。 纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。下面看看这个包是怎么实现的：

错误类型的定义

首先是错误类型的定义， 除了正常的调用失败，一个方法的调用还可能包括 panic 错误 和 runtime.Goexit 调用，为了标记此类错误，因此定义了如下错误类型。

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var errGoexit = errors.New("runtime.Goexit was called")
type panicError struct {
    value interface{}
    stack []byte
}

执行中程序的调用

对于每一次执行fn，会构造一个call 结构体，用于将结果返回给等待的协程。doCall 则为 fn 的调用执行方法。

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type call struct {
    wg sync.WaitGroup
    val interface{}   // 调用的返回值
    err error      // 调用执行失败后的错误
    forgotten bool    // 标记是否下次调用时不使用正在调用的fn的结果
    dups  int        // 标记有多少调用方在等待fn 的结果
    chans []chan<- Result  // 等待结果的channal
}

func (g *Group) doCall(c *call, key string, fn func() (interface{}, error)) {
  normalReturn := false
  recovered := false

    // 为了能捕获到 goexit, 需要使用defer 来判断 （与panic 错误区分）
    // 实际上 goexit 无法捕获，只能通过标记 panic 和正常退出来排除
    // 第一个defer 是对执行结果的处理
  defer func() {
    // 非正常退出和panic， 则为 goexit 退出
    if !normalReturn && !recovered {
      c.err = errGoexit
    }

    c.wg.Done()
    g.mu.Lock()
    defer g.mu.Unlock()
    if !c.forgotten { 
      delete(g.m, key)
    }

    if e, ok := c.err.(*panicError); ok { // Panic 错误, 这种panic 无法捕获
      if len(c.chans) > 0 { 
        //对于 DoChan 的调用方式
        go panic(e)
        select {} // 保证 `go panic(e)` 的执行，并且 panic 无法被捕获。
      } else { 
        panic(e)
      }
    } else if c.err == errGoexit { // errGoexit 已经用排除法处理
    } else { 
      // 正常返回, 分发返回结果
      for _, ch := range c.chans {
        ch <- Result{c.val, c.err, c.dups > 0}
      }
    }
  }()

  // 执行 fn 方法，捕获 panic
  func() {
    defer func() {
      if !normalReturn {
        // 捕获 recover 错误
        if r := recover(); r != nil {
          c.err = newPanicError(r)
        }
      }
    }()

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

  if !normalReturn {
    // 如果非正常返回，则是通过 recover 的方式执行的 | 因为 goexit 方式不会走到这里
    recovered = true
  }
}

接口的实现

同步方式的调用：

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func (g *Group) Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (v interface{}, err error, shared bool) {
  g.mu.Lock()
  if g.m == nil {
    g.m = make(map[string]*call)
  }
  if c, ok := g.m[key]; ok {
  // 执行中，则加入等待
    c.dups++
    g.mu.Unlock()
    c.wg.Wait()

    if e, ok := c.err.(*panicError); ok {
      panic(e)
    } else if c.err == errGoexit {
      runtime.Goexit()
    }
    return c.val, c.err, true
  }
  c := new(call)
  c.wg.Add(1)
  g.m[key] = c
  g.mu.Unlock()

  // 调用执行
  g.doCall(c, key, fn)
  return c.val, c.err, c.dups > 0
}

异步方式的调用：

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func (g *Group) DoChan(key string, fn func() (interface{}, error)) <-chan Result {
  ch := make(chan Result, 1)
  g.mu.Lock()
  if g.m == nil {
    g.m = make(map[string]*call)
  }
  if c, ok := g.m[key]; ok {
  // 如果正在执行，则加入到chan中，等待
    c.dups++
    c.chans = append(c.chans, ch)
    g.mu.Unlock()
    return ch
  }

  // 构造call
  c := &call{chans: []chan<- Result{ch}}
  c.wg.Add(1)
  g.m[key] = c
  g.mu.Unlock()

  // 异步执行
  go g.doCall(c, key, fn)

  return ch
}

设置下次调用不适用正在执行的结果

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func (g *Group) Forget(key string) {
  g.mu.Lock()
  if c, ok := g.m[key]; ok {
      c.forgotten = true
  }
  delete(g.m, key)
  g.mu.Unlock()
}

总结

从上述代码可以看出，做一个防止穿透的小功能，简单而不简约。需要考量的地方还是挺多(如何截获panic，如何判断goexit 等)。如下是内容总结：

  1. runtime.Goexit 的特性, 以及如何捕获。(https://golang.org/cl/134395)

    goexit 用于退出某个协程，但是之前注册的defer 方法仍然将会被执行。

  2. 返回的error，不仅可能是正常逻辑错误，或者goexit 错误, 还有可能直接panic。
  3. DoChan 调用方式，如果fn出现panic，该panic将无法被捕获，程序将退出。(Do 方式可以捕获panic), 而 Do 调用则可以捕获。例子如下：

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go func() {
  defer wg.Done()
  key := "hello"

  defer func() {
    if r := recover(); r != nil {
      fmt.Println("[[[", r, "]]]") // 此处可以捕获到panic. 由 doCall 方法中捕获后再次抛出的异常
    }
  }()
  _, _, _ = g.Do("getdata", func() (interface{}, error) {
    iter := atomic.AddInt32(&count, 1)
    time.Sleep(time.Duration(time.Microsecond))
    panic("panic")
    return key + strconv.Itoa(int(iter)), nil
  })
}()

原文作者：lpflpf

原文链接：http://blog.lpflpf.cn/passages/golang-singleflight-go/

发表日期：2021-01-18 17:16:18

更新日期：2021-01-19 14:02:18

版权声明：本文采用知识共享署名-非商业性使用 4.0 国际许可协议进行许可

CATALOG
  1. 1. 缓存击穿
  2. 2. 如何使用 singleflight 解决缓存击穿
  3. 3. 一个简单的例子
  4. 4. singleflight 的实现
    1. 4.1. 错误类型的定义
    2. 4.2. 执行中程序的调用
    3. 4.3. 接口的实现
  5. 5. 总结
Total : 53
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