Go sync.Map：场景与底层机制深度解析

原文：Go sync.Map: The Right Tool for the Right Job

TL;DR

sync.Map 通过读写分离（read 层和 dirty 层）以及原子操作，专门优化了“读多写少”或“多 Goroutine 操作不相交键集”的场景。它利用双图机制减少了锁的竞争，但在频繁写入时会因为复杂的维护逻辑（如数据复制、锁竞争）导致性能下降。

1. 核心数据结构

sync.Map 的高性能源于其精巧的结构设计：

type Map struct {
	mu Mutex
	// read 包含可以安全并发访问的部分（通过 atomic.Pointer）
	read atomic.Pointer[readOnly]
	// dirty 包含需要加锁访问的部分，存储新写入或待提升的数据
	dirty map[any]*entry
	// misses 记录 read 未命中而穿透到 dirty 的次数
	misses int
}
 
type readOnly struct {
	m       map[any]*entry
	amended bool // 如果 dirty 中包含 read 中没有的 key，则为 true
}
 
type entry struct {
	// p 指向实际的值。有三种状态：正常值、nil（已删除）、expunged（已抹除）
	p atomic.Pointer[any]
}

2. 深入底层原理

2.1 读操作（Load）：双图查找与穿透计数

当调用 Load(key) 时：

1. 第一路径（无锁）：首先检查 read。由于 read 是原子的，这一步非常快且不涉及锁。
2. 第二路径（加锁）：如果在 read 中没找到，且 amended 为 true（意味着 dirty 有新数据）：
   • 获取互斥锁 mu。
   • 二次检查：再次检查 read（防止在加锁期间数据被提升到了 read）。
   • 如果还是没找到，去 dirty 中查找。
   • 穿透计数（Misses）：无论是否在 dirty 中找到，都会执行 missLocked()。
3. 提升（Promotion）：当 misses 计数达到 len(dirty) 时，系统认为 read 太旧了，于是将 dirty 直接提升为 read，并将 dirty 置为 nil，misses 清零。

2.2 写操作（Store）：状态机转换

写入一个键值对时，情况较为复杂：

1. 更新已存在的键：如果键在 read 中，且未被标记为 expunged，则尝试通过 CAS 直接更新 entry.p。这是最理想的无锁路径。
2. 加锁处理：
   • 复活（Revival）：如果键在 read 中但被标记为 expunged，说明它之前被删除了且 dirty 已经重建过。此时需要先在 dirty 中重新关联该键，再更新值。
   • 更新 dirty：如果键只在 dirty 中，直接更新。
   • 新键写入：如果是一个全新的键，将其写入 dirty。如果此时 dirty 为 nil（刚发生过提升），则会触发 dirtyLocked()。

关键点：dirty 的延迟初始化

当写入新键且 dirty 为 nil 时，sync.Map 会遍历当前的 read，将所有非删除的键值对复制到新创建的 dirty 中。在这个过程中，所有被标记为 nil 的删除键都会被转换为 expunged 状态。

2.3 删除操作（Delete）：延迟清理

1. 如果键在 read 中，直接通过 CAS 将 entry.p 置为 nil。这只是逻辑删除。
2. 如果键不在 read 中且 amended 为 true，则加锁从 dirty 中物理删除（使用原生 delete 函数）。

3. 深度解析：Expunged 状态

expunged 是 sync.Map 中最难理解但也最重要的概念。

为什么需要 expunged？

在 sync.Map 中，键的删除有两种状态：

• nil 状态：键在 read 和 dirty 中都存在，但值被标记为已删除。
• expunged 状态：键只存在于 read 中，不存在于 dirty 中。

状态流转逻辑：

1. 标记：当 dirty 因为新键写入而从 read 重建时，read 中所有 p == nil 的条目都会被标记为 expunged，且不会被复制到新 dirty 中。
2. 清理：当下次 dirty 提升为 read 时，这些 expunged 的条目会随着旧 read 的销毁而彻底消失，从而实现内存回收。
3. 意义：这种机制保证了 dirty 始终是 read 的一个“干净”的超集，同时也避免了在每次删除时都去操作加锁的 dirty。

4. 性能权衡与最佳实践

为什么频繁写入性能差？

• 锁竞争：新键写入必须操作 dirty，需要加锁。
• 数据翻倍：在 dirty 重建时，需要遍历并复制整个 read，这在 Map 很大时开销巨大。
• 间接寻址：所有值都通过 entry 结构体进行二次寻址，增加了内存开销和 GC 压力。

最佳实践建议：

• 读写比：只有当读操作远多于写操作（如 90% 以上是读）时，才考虑 sync.Map。
• 不相交键集：如果多个 Goroutine 倾向于操作完全不同的 Key，sync.Map 的表现也会很好。
• 固定集合：如果你的 Key 集合是相对固定的（例如配置项缓存），sync.Map 是完美的选择。
• 监控内存：由于其延迟清理机制，如果只写不读，内存可能会持续膨胀。

5. 关键术语对照

英文术语	中文解释	作用
readOnly	只读层	提供无锁的原子读取路径。
dirty	脏数据层	存储新数据，作为提升的候选。
amended	修正标记	标识 dirty 是否包含 read 缺失的数据。
misses	未命中计数	决定何时将 dirty 提升。
expunged	抹除状态	标记已删除且不属于 dirty 的条目。
promotion	提升	将 dirty 转换为 read 以优化后续读取。