面试题：在高并发场景下Go语言切片扩容可能会遇到什么问题及如何优化

Question

假设在一个高并发的Go程序中频繁对切片进行操作，切片扩容机制可能引发哪些并发安全问题、资源竞争问题等，针对这些问题，应如何从设计层面、代码实现层面进行优化，以保障程序的稳定性和高性能。

Answer 1

可能引发的问题

1. 并发安全问题：多个协程同时对切片进行读写操作时，可能导致数据不一致。例如，一个协程正在读取切片中的某个元素，而另一个协程同时对切片进行扩容并修改了该元素，这就会导致读取到的数据不正确。
2. 资源竞争问题：在高并发环境下，多个协程可能同时尝试对切片进行扩容。由于切片的扩容涉及内存的重新分配和数据的复制，这可能导致资源竞争，例如多个协程同时申请内存，可能造成内存分配混乱，进而影响程序性能和稳定性。

设计层面优化

1. 使用sync包：可以利用sync.Mutex或sync.RWMutex来保护对切片的操作。对于读多写少的场景，sync.RWMutex更合适，它允许多个读操作同时进行，但写操作时会独占切片，防止其他读写操作。
2. 数据分片：将数据按照一定规则分片存储在多个切片中，不同协程操作不同的切片，减少竞争。例如，按照哈希值将数据分配到不同切片，每个协程负责处理特定哈希值范围内的数据。

代码实现层面优化

1. 使用sync.Mutex示例

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var (
    slice []int
    mu    sync.Mutex
)

func addToSlice(num int) {
    mu.Lock()
    slice = append(slice, num)
    mu.Unlock()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(n int) {
            defer wg.Done()
            addToSlice(n)
        }(i)
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println(slice)
}

2. 使用sync.RWMutex示例

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var (
    slice []int
    rwmu  sync.RWMutex
)

func readSlice() {
    rwmu.RLock()
    fmt.Println(slice)
    rwmu.RUnlock()
}

func writeSlice(num int) {
    rwmu.Lock()
    slice = append(slice, num)
    rwmu.Unlock()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(n int) {
            defer wg.Done()
            writeSlice(n)
        }(i)
    }
    for i := 0; i < 3; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            defer wg.Done()
            readSlice()
        }()
    }
    wg.Wait()
}

3. 数据分片示例

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

const numShards = 10

var (
    shards  [numShards][]int
    mu      [numShards]sync.Mutex
)

func addToShard(num int) {
    shardIndex := num % numShards
    mu[shardIndex].Lock()
    shards[shardIndex] = append(shards[shardIndex], num)
    mu[shardIndex].Unlock()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 100; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(n int) {
            defer wg.Done()
            addToShard(n)
        }(i)
    }
    wg.Wait()
    for i := 0; i < numShards; i++ {
        fmt.Printf("Shard %d: %v\n", i, shards[i])
    }
}