赏析Singleflight设计

前言

今天想与大家分享一下singleflight这个库，singleflight仅仅只有100多行却可以做到防止缓存击穿，有点厉害哦！所以本文我们就一起来看一看他是怎么设计的～。

注意：本文基于 https://pkg.go.dev/golang.org/x/sync/singleflight进行分析。

缓存击穿

什么是缓存击穿

平常在高并发系统中，会出现大量的请求同时查询一个key的情况，假如此时这个热key刚好失效了，就会导致大量的请求都打到数据库上面去，这种现象就是缓存击穿。缓存击穿和缓存雪崩有点像，但是又有一点不一样，缓存雪崩是因为大面积的缓存失效，打崩了DB，而缓存击穿则是指一个key非常热点，在不停的扛着高并发，高并发集中对着这一个点进行访问，如果这个key在失效的瞬间，持续的并发到来就会穿破缓存，直接请求到数据库，就像一个完好无损的桶上凿开了一个洞，造成某一时刻数据库请求量过大，压力剧增！

如何解决

• 方法一

  我们简单粗暴点，直接让热点数据永远不过期，定时任务定期去刷新数据就可以了。不过这样设置需要区分场景，比如某宝首页可以这么做。

• 方法二

  为了避免出现缓存击穿的情况，我们可以在第一个请求去查询数据库的时候对他加一个互斥锁，其余的查询请求都会被阻塞住，直到锁被释放，后面的线程进来发现已经有缓存了，就直接走缓存，从而保护数据库。但是也是由于它会阻塞其他的线程，此时系统吞吐量会下降。需要结合实际的业务去考虑是否要这么做。

• 方法三

  方法三就是singleflight的设计思路，也会使用互斥锁，但是相对于方法二的加锁粒度会更细，这里先简单总结一下singleflight的设计原理，后面看源码在具体分析。

  singleflightd的设计思路就是将一组相同的请求合并成一个请求，使用map存储，只会有一个请求到达mysql，使用sync.waitgroup包进行同步，对所有的请求返回相同的结果。

截屏2021-07-14 下午8.30.56 源码赏析

已经迫不及待了，直奔主题吧，下面我们一起来看看singleflight是怎么设计的。

数据结构

singleflight的结构定义如下：

type Group struct {
 mu sync.Mutex       // 互斥锁，保证并发安全
 m  map[string]*call // 存储相同的请求，key是相同的请求，value保存调用信息。
}

Group结构还是比较简单的，只有两个字段，m是一个map，key是相同请求的标识，value是用来保存调用信息，这个map是懒加载，其实就是在使用时才会初始化；mu是互斥锁，用来保证m的并发安全。m存储调用信息也是单独封装了一个结构：

type call struct {
 wg sync.WaitGroup
 // 存储返回值，在wg done之前只会写入一次
 val interface{}
  // 存储返回的错误信息
 err error

 // 标识别是否调用了Forgot方法
 forgotten bool

 // 统计相同请求的次数，在wg done之前写入
 dups  int
  // 使用DoChan方法使用，用channel进行通知
 chans []chan<- Result
}
// Dochan方法时使用
type Result struct {
 Val    interface{} // 存储返回值
 Err    error // 存储返回的错误信息
 Shared bool // 标示结果是否是共享结果
}

Do方法

// 入参：key：标识相同请求，fn：要执行的函数
// 返回值：v: 返回结果 err: 执行的函数错误信息 shard: 是否是共享结果
func (g *Group) Do(key string, fn func() (interface{}, error)) (v interface{}, err error, shared bool) {
 // 代码块加锁
 g.mu.Lock()
 // map进行懒加载
 if g.m == nil {
   // map初始化
  g.m = make(map[string]*call)
 }
 // 判断是否有相同请求
 if c, ok := g.m[key]; ok {
   // 相同请求次数+1
  c.dups++
  // 解锁就好了，只需要等待执行结果了，不会有写入操作了
  g.mu.Unlock()
  // 已有请求在执行，只需要等待就好了
  c.wg.Wait()
  // 区分panic错误和runtime错误
  if e, ok := c.err.(*panicError); ok {
   panic(e)
  } else if c.err == errGoexit {
   runtime.Goexit()
  }
  return c.val, c.err, true
 }
 // 之前没有这个请求，则需要new一个指针类型
 c := new(call)
 // sync.waitgroup的用法，只有一个请求运行，其他请求等待，所以只需要add(1)
 c.wg.Add(1)
 // m赋值
 g.m[key] = c
 // 没有写入操作了，解锁即可
 g.mu.Unlock()
 // 唯一的请求该去执行函数了
 g.doCall(c, key, fn)
 return c.val, c.err, c.dups > 0
}

这里是唯一有疑问的应该是区分panic和runtime错误部分吧，这个与下面的docall方法有关联，看完docall你就知道为什么了。

docall

// doCall handles the single call for a key.
func (g *Group) doCall(c *call, key string, fn func() (interface{}, error)) {
  // 标识是否正常返回
 normalReturn := false
  // 标识别是否发生panic
 recovered := false

 defer func() {
  // 通过这个来判断是否是runtime导致直接退出了
  if !normalReturn && !recovered {
      // 返回runtime错误信息
   c.err = errGoexit
  }

  c.wg.Done()
  g.mu.Lock()
  defer g.mu.Unlock()
    // 防止重复删除key
  if !c.forgotten {
   delete(g.m, key)
  }
  // 检测是否出现了panic错误
  if e, ok := c.err.(*panicError); ok {
   // 如果是调用了dochan方法，为了channel避免死锁，这个panic要直接抛出去，不能recover住，要不就隐藏错误了
   if len(c.chans) > 0 {
    go panic(e) // 开一个写成panic
    select {} // 保持住这个goroutine，这样可以将panic写入crash dump
   } else {
    panic(e)
   }
  } else if c.err == errGoexit {
   // runtime错误不需要做任何时，已经退出了
  } else {
   // 正常返回的话直接向channel写入数据就可以了
   for _, ch := range c.chans {
    ch <- Result{c.val, c.err, c.dups > 0}
   }
  }
 }()
  // 使用匿名函数目的是recover住panic，返回信息给上层
 func() {
  defer func() {
   if !normalReturn {
    // 发生了panic，我们recover住，然后把错误信息返回给上层
    if r := recover(); r != nil {
     c.err = newPanicError(r)
    }
   }
  }()
  // 执行函数
  c.val, c.err = fn()
    // fn没有发生panic
  normalReturn = true
 }()
 // 判断执行函数是否发生panic
 if !normalReturn {
  recovered = true
 }
}

这里来简单描述一下为什么区分panic和runtime错误，不区分的情况下如果调用出现了恐慌，但是锁没有被释放，会导致使用相同key的所有后续调用都出现了死锁，具体可以查看这个issue：https://github.com/golang/go/issues/33519。

Dochan和Forget方法

//异步返回
// 入参数：key：标识相同请求，fn：要执行的函数
// 出参数：<- chan 等待接收结果的channel
func (g *Group) DoChan(key string, fn func() (interface{}, error)) <-chan Result {
  // 初始化channel
 ch := make(chan Result, 1)
 g.mu.Lock()
  // 懒加载
 if g.m == nil {
  g.m = make(map[string]*call)
 }
  // 判断是否有相同的请求
 if c, ok := g.m[key]; ok {
    //相同请求数量+1
  c.dups++
    // 添加等待的chan
  c.chans = append(c.chans, ch)
  g.mu.Unlock()
  return ch
 }
 c := &call{chans: []chan<- Result{ch}}
 c.wg.Add(1)
 g.m[key] = c
 g.mu.Unlock()
 // 开一个写成调用
 go g.doCall(c, key, fn)
 // 返回这个channel等待接收数据
 return ch
}
// 释放某个 key 下次调用就不会阻塞等待了
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()
}

注意事项

因为我们在使用singleflight时需要自己写执行函数，所以如果我们写的执行函数一直循环住了，就会导致我们的整个程序处于循环的状态，积累越来越多的请求，所以在使用时，还是要注意一点的，比如这个例子：

result, err, _ := d.singleGroup.Do(key, func() (interface{}, error) {
  for{
   // TODO
  }
} 

不过这个问题一般也不会发生，我们在日常开发中都会使用context控制超时。

总结

好啦，这篇文章就到这里啦。因为最近我在项目中也使用singleflight这个库，所以就看了一下源码实现，真的是厉害，这么短的代码就实现了这么重要的功能，我怎么就想不到呢。。。。所以说还是要多读一些源码库，真的能学到好多，真是应了那句话：你知道的越多，不知道的就越多！

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