详解go语言中并发安全和锁问题

时间：2021-12-17 17:39:25

首先可以先看看这篇文章，对锁有些了解

GO语言并发编程之互斥锁、读写锁详解

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：

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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写业务时不能全局使用同一个 Mutex千万不要将要加锁和解锁分到两个以上 Goroutine 中进行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：

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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 ：

  • 调用结构体持有的Mutex结构体的Mutex.Lock阻塞后续的写操作
  • 将readerCount减少2^30,成为负数，以阻塞后续读操作
  • 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：

  • 将readerCount变回正数，释放读锁
  • 唤醒所有因为读锁而睡眠的Goroutine
  • 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：

 

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.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：

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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:

 

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。

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)

到此这篇关于go语言中并发安全和锁的文章就介绍到这了,更多相关go语言中并发安全和锁内容请搜索服务器之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持服务器之家！

原文链接：https://www.cnblogs.com/CJ-cooper/p/15477232.html

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