【Golang详解】go语言中并发安全和锁

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

【锁】详解区分 互斥锁、⾃旋锁、读写锁、乐观锁、悲观锁

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：

在默认情况下，互斥锁的所有状态位都是 0，int32 中的不同位分别表示了不同的状态：

• 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

goroutine 进入自旋的条件非常苛刻：

• 互斥锁只有在普通模式才能进入自旋；
• runtime.sync_runtime_canSpin需要返回 true
  • 运行在多 CPU 的机器上；
  • 当前 Goroutine 为了获取该锁进入自旋的次数小于四次；
  • 当前机器上至少存在一个正在运行的处理器 P 并且处理的运行队列为空；

• 如果当前 Goroutine 等待锁的时间超过了 1ms，互斥锁就会切换到饥饿模式；
• 互斥锁在正常情况下会通runtime.sync_runtime_SemacquireMutex将尝试获取锁的 Goroutine 切换至休眠状态，等待锁的持有者唤醒；
• 如果当前 Goroutine 是互斥锁上的最后一个等待的协程或者等待的时间小于 1ms，那么它会将互斥锁切换回正常模式；

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 ：

1. 调用结构体持有的Mutex结构体的Mutex.Lock阻塞后续的写操作
2. 将readerCount减少2^30,成为负数，以阻塞后续读操作
3. 如果有其他Goroutine 持有读锁，该 Goroutine会进入休眠状态等待所有读锁执行结束后释放writerSem信号量将当前协程唤醒

释放写锁：

1. 将readerCount变回正数，释放读锁
2. 唤醒所有因为读锁而睡眠的Goroutine
3. 调用Mutex.Unlock 释放写锁

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

获取读锁的方法 sync.RWMutex.RLock 很简单，该方法会将readerCount加一：

• 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

解锁读锁的方法sync.RWMutex.RUnlock，该方法会：

• 将readerCount减一，根据返回值的不同会分别进行处理
• 如果返回值大于等于0，读锁直接解锁成功
• 如果小于0代表有正在执行的写操作，会调用sync.RWMutex.rUnlockSlow，将readerWait减一，并且当所有读操作都被释放后触发信号量 writerSem，该信号量被触发时，调度器就会唤醒尝试获取写锁的 Goroutine

WaitGroup

sync.WaitGroup可以等待一组 Goroutine 的返回

sync.WaitGroup 对外暴露了三个方法：

sync.WaitGroup.Done只是对 sync.WaitGroup.Add 方法的简单封装，相当于是加 -1

Sync.Map

Go语言中内置的map不是并发安全的。

Go语言的sync包中提供了一个开箱即用的并发安全版map–sync.Map。使用互斥锁保证并发安全

数据结构：

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

开箱即用表示不用像内置的map一样使用make函数初始化就能直接使用。同时sync.Map内置了方法:

*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。

参考资料：

Go 语言并发编程、同步原语与锁 | Go 语言设计与实现 (draveness.me)