Go 并发控制之 Mutex 与 RWMutex

Go 并发控制之 Mutex 与 RWMutex

一、Mutex 包的功能和用法

（一）功能概述

sync.Mutex 是 Go 提供的对共享资源进行互斥访问的原语。它的核心作用是确保同一时刻只有一个 goroutine 能够持有锁，从而避免多个 goroutine 同时访问共享资源导致的数据混乱。

（二）基本用法

• Mutex 仅对外提供两个方法：Lock() 和 Unlock()。Lock() 用于加锁，当一个 goroutine 调用 Lock() 方法时，如果锁未被其他 goroutine 持有，则该 goroutine 成功获取锁；如果锁已经被其他 goroutine 持有，则当前 goroutine 会阻塞，直到获取到锁。Unlock() 则用于解锁，释放锁资源，以便其他等待的 goroutine 可以获取锁。

（三）四种状态

• Locked ：表示 Mutex 是否已被锁定。值为 0 表示未锁定，值为 1 表示已被锁定。这是判断锁是否可用的关键状态。
• Woken ：用于指示是否有协程已被唤醒且正在尝试加锁。值为 0 表示没有协程唤醒，值为 1 表示有协程被唤醒。它有助于协调多个 goroutine 对锁的竞争。
• Starving ：反映 Mutex 是否处于饥饿状态。当有协程阻塞超过 1ms 时，Mutex 会进入饥饿模式，此时该字段值为 1。饥饿模式下，锁的获取策略会有所调整，以避免某些 goroutine 长时间无法获取锁。
• Waiter ：记录阻塞等待锁的协程个数。在协程解锁时，根据这个值来判断是否需要释放信号量，从而唤醒等待的协程。

（四）自旋机制

当一个 goroutine 尝试获取一个已经被其他 goroutine 持有的锁时，并不会立即进入阻塞状态。而是会进入一个自旋过程，持续探测锁的 Locked 位是否变为 0。自旋的好处在于，如果锁很快就会被释放，自旋的 goroutine 就有机会在短时间内获取锁，避免了协程的频繁切换，提高了效率。

（五）正常模式和饥饿模式

• 正常模式 ：在正常模式下，goroutine 加锁失败时，会先判断是否满足自旋条件。如果满足，就会启动自旋过程，尝试抢锁。这种模式适用于锁竞争不激烈的情况，能够充分利用自旋的优势，减少协程切换开销。
• 饥饿模式 ：如果一个 goroutine 被阻塞后，在上次阻塞到本次阻塞的时间超过 1ms，就会将 Mutex 标记为饥饿模式。饥饿模式下，不再启动自旋过程，而是直接进入阻塞队列等待锁的释放。这种模式主要用于应对锁竞争非常激烈的情况，确保每个等待的 goroutine 都能在一定时间内获取到锁，避免出现部分 goroutine 长时间无法获取锁的 “饥饿” 现象。

二、RWMutex 是什么

（一）概念

sync.RWMutex 是 Go 标准库中的读写互斥锁。它允许多个 goroutine 同时读取共享资源，但在写操作时必须独占锁。这使得 RWMutex 在读多写少的高并发场景中表现出色，能够有效提高程序的并发性能。

（二）功能实现

• RWMutex 内部通过一个读计数器和一个写计数器来实现其功能。读计数器用于记录当前正在进行的读操作数量，当有多个 goroutine 同时读取资源时，读计数器会相应增加。只有当读计数器为 0 时，才允许写操作进行。写计数器则用于记录当前是否有写操作正在进行，一旦有写操作获取锁，写计数器会增加，此时其他所有读写操作都会被阻塞。
• 它提供了两种锁机制：读锁（RLock() 和 RUnlock()）以及写锁（Lock() 和 Unlock()）。读锁允许多个 goroutine 同时持有，而写锁是独占的，同一时刻只能有一个 goroutine 持有写锁。

（三）使用注意事项

• 成对调用锁与解锁 ：无论是读锁还是写锁，都必须成对调用相应的锁和解锁方法。否则，可能会导致死锁或者程序出现 panic。例如，调用了 RLock() 后没有对应地调用 RUnlock()，或者调用了 Lock() 后没有调用 Unlock()，都会导致锁无法正常释放，进而引发死锁。
• 不可锁升级 ：在持有 RLock() 的情况下，不能尝试获取 Lock()。因为读锁允许多个 goroutine 同时持有，而写锁需要独占，如果允许锁升级，会导致写操作与其他读操作冲突，从而引发死锁。
• 写锁不能重入 ：RWMutex 不支持写锁的重入。这意味着，如果一个 goroutine 已经持有了写锁，再次调用 Lock() 方法时，会导致死锁。因为写锁的设计初衷是为了保证写操作的独占性，重入写锁会破坏这一特性。
• 不记录 goroutine ：RWMutex 不会记录是哪个 goroutine 加了锁。因此，在解锁时，必须确保是在正确的 goroutine 中进行解锁操作，否则会导致解锁失败或者出现其他不可预见的问题，比如跨 goroutine 解锁可能会引发 panic。
• 小心遗漏解锁 ：忘记调用 Unlock() 或 RUnlock() 方法来释放锁，会导致锁一直被持有，其他需要该锁的 goroutine 无法获取锁，从而引发死锁或者资源泄漏。例如，在函数执行过程中，如果没有在所有可能的分支路径上都正确地调用解锁方法，就可能出现遗漏解锁的情况。
• 解锁后的唤醒机制 ：对写锁解锁时，会唤醒所有因试图锁定读锁而被阻塞的 goroutine，因为写锁释放后，读操作可以重新开始进行。而对读锁解锁时，只有在没有其他读锁锁定的前提下，才会唤醒因试图锁定写锁而被阻塞的 goroutine，这是为了确保写操作能够在没有其他读操作干扰的情况下进行。