go语言中并发安全和锁

首先可以先看看这篇文章，对锁有些了解


Mutex-互斥锁

Mutex 的实现主要借助了 CAS 指令 + 自旋 + 信号量

数据结构：

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

上述两个加起来只占 8 字节空间的结构体表示了 Go语言中的互斥锁


状态：

int32
  • 1位表示是否被锁定
  • 1位表示是否有协程已经被唤醒
  • 1位表示是否处于饥饿状态
  • 剩下29位表示阻塞的协程数

正常模式和饥饿模式

正常模式：所有goroutine按照FIFO的顺序进行锁获取，被唤醒的goroutine和新请求锁的goroutine同时进行锁获取，通常新请求锁的goroutine更容易获取锁(持续占有cpu)，被唤醒的goroutine则不容易获取到锁

饥饿模式：所有尝试获取锁的goroutine进行等待排队，新请求锁的goroutine不会进行锁获取(禁用自旋)，而是加入队列尾部等待获取锁

如果一个 Goroutine 获得了互斥锁并且它在队列的末尾或者它等待的时间少于 1ms，那么当前的互斥锁就会切换回正常模式。

与饥饿模式相比，正常模式下的互斥锁能够提供更好地性能，饥饿模式的能避免 Goroutine 由于陷入等待无法获取锁而造成的高尾延时。

互斥锁加锁过程
  • 如果互斥锁处于初始状态，会直接加锁
  • 如果互斥锁处于加锁状态，并且工作在普通模式下，goroutine会进入自旋，等待锁的释放
runtime.sync_runtime_canSpin
runtime.sync_runtime_SemacquireMutex

互斥锁解锁过程

当互斥锁已经被解锁时，再解锁会抛出异常

当互斥锁处于饥饿模式时，将锁的所有权交给等待队列最前面的 Goroutine

当互斥锁处于正常模式时，如果没有 Goroutine 等待锁的释放或者已经有被唤醒的 Goroutine 获得了锁，会直接返回；在其他情况下会通过唤醒对应的 Goroutine；

关于互斥锁锁的使用建议
  1. 写业务时不能全局使用同一个 Mutex
  2. 千万不要将要加锁和解锁分到两个以上 Goroutine 中进行
  3. Mutex 千万不能被复制（包括不能通过函数参数传递），否则会复制传参前锁的状态：已锁定 or 未锁定。很容易产生死锁，关键是编译器还发现不了这个 Deadlock~

RWMutex-读写锁

Go 中 RWMutex 使用的是写优先的设计

数据结构：

type RWMutex struct {
	w           Mutex	//复用互斥锁提供的能力
	writerSem   uint32	//writer信号量
	readerSem   uint32	//reader信号量
	readerCount int32	//存储了当前正在执行的读操作数量
	readerWait  int32	// 表示写操作阻塞时，等待读操作完成的个数
}
写锁

获取写锁 ：

readerCountwriterSem

释放写锁：

readerCount

获取写锁时会先阻塞写锁的获取，后阻塞读锁的获取，这种策略能够保证读操作不会被连续的写操作『饿死』。


读锁

获取读锁

sync.RWMutex.RLockreaderCount
  • 如果该方法返回负数（代表其他 goroutine 获得了写锁，当前 goroutine 就会使其陷入休眠等待锁的释放
  • 如果该方法返回结果为非负数，代表没有 goroutine 获得写锁，会成功返回

释放读锁

sync.RWMutex.RUnlock
readerCountsync.RWMutex.rUnlockSlowreaderWaitwriterSem

WaitGroup

sync.WaitGroup
sync.WaitGroup
方法名 功能
(wg * WaitGroup) Add(delta int) 计数器+delta
(wg *WaitGroup) Done() 计数器减1
(wg *WaitGroup) Wait() 阻塞直到计数器变为0 
sync.WaitGroup.Donesync.WaitGroup.Add

Sync.Map

Go语言中内置的map不是并发安全的。

syncsync.Map

数据结构：

type Map struct {
    mu Mutex
    read atomic.Value // readOnly
    dirty map[interface{}]*entry
    misses int
}

sync.Map
方法名 功能
(m *sync.Map)Store(key, value interface{}) 保存键值对
(m *sync.Map)Load(key interface{}) 根据key获取对应的值
(m *sync.Map)Delete(key interface{}) 删除键值对
(m *sync.Map)Range(f func(key, value interface{}) bool) 遍历 sync.Map。Range 的参数是一个函数

*sync.map 没有Len( ) 方法


原子操作(atomic包)

代码中的加锁操作因为涉及内核态的上下文切换会比较耗时、代价比较高。针对基本数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全，因为原子操作是Go语言提供的方法它在用户态就可以完成，因此性能比加锁操作更好。Go语言中原子操作由内置的标准库sync/atomic提供。

小Tip

  • 加锁后立即使用defer对其解锁，可以有效的避免死锁。
  • 重复解锁会引起panic，应避免这种操作的可能性

参考资料：