Go RWMutex：高并发读多写少场景下的性能优化利器

时间：2022-03-21 01:28:51

原创文章，如需转载请联系 作者：陈明勇 公众号：Go技术干货 Go RWMutex：高并发读多写少场景下的性能优化利器

前言

在这篇文章 Go Mutex：保护并发访问共享资源的利器 中，主要介绍了 Go 语言中互斥锁 Mutex 的概念、对应的字段与方法、基本使用和易错场景，最后基于 Mutex 实现一个简单的协程安全的缓存。而本文，我们来看看另一个更高效的 Go 并发原语，RWMutex。

准备好了吗？喝一杯你最喜欢的饮料，随着文章一起进入 RWMutex 令人兴奋的世界！

说明：本文使用的代码基于的 Go 版本：1.20.1

RWMutex

读写互斥锁是一种同步原语，它允许多个协程同时访问共享资源，同时确保一次只有一个协程可以修改资源。相较于互斥锁，读写互斥锁在读操作比写操作更频繁的情况下，可以带来更好的性能表现。

在 Go 语言中，RWMutex 是一种读写互斥锁的实现，它提供了一种简单有效的方式来管理对共享资源的并发访问。它提供了两种类型的锁：读锁 和 写锁。

  • 1、读锁（RLock() 、TryRLock() 和 RUnlock() 方法）

    RWMutex 的读锁是一种共享锁，当一个协程获取了读锁后，其他协程也可以同时获取读锁，从而允许并发的读操作。

  • 2、写锁（Lock()、TryLock() 和 Unlock() 方法）

    RWMutex 的写锁是一种独占锁，当一个协程获取了写锁后，其他协程无法获取读锁或写锁，直到该协程释放写锁。在写锁未被释放之前，任何想要获取读锁或写锁的 goroutine 都会被阻塞。 Go RWMutex：高并发读多写少场景下的性能优化利器

RWMutex 结构体介绍

type RWMutex struct {
   w           Mutex        
   writerSem   uint32       // 写操作等待者
   readerSem   uint32       // 读操作等待者 
   readerCount atomic.Int32 // 持有读锁的 goroutine 数量
   readerWait  atomic.Int32 // 请求写锁时，需要等待完成的读锁数量
}

RWMutex 由以下字段组成：

  • w: 为互斥锁，用于实现写操作之间的互斥。
  • writerSem：写操作的信号量。当有 goroutine 请求写操作时，如果有其他的 goroutine 正在执行读操作，则请求写操作的 goroutine 将会被阻塞，直到所有的读操作完成后，通过 writerSem 信号量解除阻塞。
  • readerSem：读操作的信号量。当有 goroutine 请求读操作时，如果此时存在写操作，则请求读操作的 goroutine 将会被阻塞，直到写操作执行完成后，通过 readerSem 信号量解除阻塞并继续执行。
  • readerCount：读操作的goroutine数量，当readerCount为正数时，表示有一个或多个读操作正在执行，如果 readerCount 的值为负数，说明有写操作正在等待。
  • readerWait：写操作的 goroutine 等待读操作完成的数量。当一个写操作请求执行时，如果此时有一个或多个读操作正在执行，则会将读操作的数量记录到readerWait中，并阻塞写操作所在的goroutine。写操作所在的goroutine会一直阻塞，直到正在执行的所有读操作完成，此时readerWait的值将被更新为 0，并且写操作所在的goroutine将被唤醒。

RWMutex 常用方法：

  • Lock()：获取写锁，拥有写操作的权限；如果读操作正在执行，此方法将会阻塞，直到所有的读操作执行结束。
  • Unlock()：释放写锁,并唤醒其他请求读锁的 goroutine。
  • TryLock()：尝试获取写锁，如果获取成功，返回 true，否则返回 false，不存在阻塞的情况。
  • RLock()：获取读锁，读锁是共享锁，可以被多个 goroutine 获取，但是如果有写操作正在执行或等待执行时，此方法将会阻塞，直到写操作执行结束。
  • RUnlock()：释放读锁，如果所有读操作都结束并且有等待执行的写操作，则会唤醒对应的 goroutine。
  • TryRlock()：尝试获取读锁，如果获取成功，返回 true，否则返回 false，不存在阻塞的情况。

简单读写场景示例

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
   "time"
)

type Counter struct {
   value   int
   rwMutex sync.RWMutex
}

func (c *Counter) GetValue() int {
   c.rwMutex.RLock()
   defer c.rwMutex.RUnlock()
   return c.value
}

func (c *Counter) Increment() {
   c.rwMutex.Lock()
   defer c.rwMutex.Unlock()
   c.value++
}
func main() {
   counter := Counter{value: 0}

   // 读操作
   for i := 0; i < 10; i++ {
      go func() {
         for {
            fmt.Println("Value: ", counter.GetValue())
            time.Sleep(time.Millisecond)
         }
      }()
   }

   // 写操作
   for {
      counter.Increment()
      time.Sleep(time.Second)
   }
}

上述代码示例中定义了一个 Counter 结构体，包含一个 value 字段和一个 sync.RWMutex 实例 rwMutex。该结构体还实现了两个方法：GetValue() 和 Increment()，分别用于读取 value 字段的值和对 value 字段的值加一。这两个方法在访问 value 字段时，使用了读写锁来保证并发安全。

在 main() 函数中，首先创建了一个 Counter 实例 counter，然后启动了 10 个协程，每个协程会不断读取 counter 并打印到控制台上。同时，main() 函数也会不断对 counter 的 value 值加 1，每次加 1 的操作都会休眠 1 秒钟。由于使用了读写锁，多个读操作可以同时进行，而写操作则会互斥进行，保证了并发安全。

基于 RWMutex 实现一个简单的协程安全的缓存

在 Go Mutex：保护并发访问共享资源的利器 文章中，使用了 Mutex 实现了一个简单的线程安全的缓存，但并不是最优的设计，对于缓存场景，读操作比写操作更频繁，因此使用 RWMutex 代替 Mutex 会更好。

import "sync"

type Cache struct {
   data    map[string]any
   rwMutex sync.RWMutex
}

func NewCache() *Cache {
   return &Cache{
      data: make(map[string]any),
   }
}

func (c *Cache) Get(key string) (any, bool) {
   c.rwMutex.RLock()
   defer c.rwMutex.RUnlock()
   value, ok := c.data[key]
   return value, ok
}

func (c *Cache) Set(key string, value any) {
   c.rwMutex.Lock()
   defer c.rwMutex.Unlock()
   c.data[key] = value
}

上述代码实现了一个协程安全的缓存，通过使用 RWMutex 的读写锁，保证了 Get() 方法可以被多个 goroutine 并发地执行，而且只有在读操作和写操作同时存在时才会进行互斥锁定，有效地提高了并发性能。

RWMutex 易错场景

没有正确的加锁和解锁

为了正确使用读写锁，必须正确使用锁的方法。对于读操作，必须成对使用 RLock() 和 RUnlock() 方法，否则可能会导致程序 panic 或阻塞。

例如：如果缺少 RLock()，直接使用 RUnlock()方法，程序将会 panic，如果缺少 RUnlock() 方法，将会发生阻塞的形象。

同样，对于写操作，必须成对使用 Lock() 和 Unlock() 方法。

最佳实践是使用 defer 来释放锁：为了保证锁总是被释放，即使在运行时错误或提前返回的情况下，也可以在获得锁后立即使用 defer 关键字来调度相应的解锁方法。

rwMutex.RLock()
defer rwMutex.RUnlock()
// 读操作

rwMutex.Lock()
defer rwMutex.Unlock()
// 写操作

重复加锁

重复加锁操作被称为可重入操作。不同于其他一些编程语言的锁实现（例如 Java 的 ReentrantLock），Go 的 mutex 并不支持可重入操作。

由于 RWMutex 内部是基于 Mutex 实现的写操作互斥，如果发生了重复加锁操作，就会导致死锁。这个易错场景在上篇文章中也提到了，还给出了代码示例，感兴趣的小伙伴可以去看看。

读操作内嵌写操作

当有协程执行读操作时，请求执行写操作的协程会被阻塞。如果在读操作中嵌入写操作的代码，写操作将调用 Lock() 方法，从而导致读操作和写操作之间形成相互依赖关系。在这种情况下，读操作会等待写操作完成后才能执行 RUnlock()，而写操作则会等待读操作完成后才能被唤醒继续执行，从而导致死锁的状态。

小结

RWMutex 是 Go 中的一种读写锁实现，它通过读锁允许多个 goroutine 同时执行读操作，当有写操作请求时，必须等待所有读操作执行结束后才能执行写操作。

RWMutex 的设计采用了 Write-preferring 方案，即如果有写操作在等待执行，新来的读操作将会被阻塞，以避免写操作的饥饿问题。

根据 RWMutex 的特性，它适用于 读多写少的高并发场景，可以实现并发安全的读操作，从而减少在锁竞争中的等待时间。

虽然它能够给程序带来了性能的提升，然而，如果使用不当，就可能会导致 panic 或死锁等问题。因此，在使用 RWMutex 时需要特别小心，并避免错误的用法。

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