Go并发编程之死锁与活锁的案例分析

2023-05-18 08:05:22 并发 死锁 案例分析

什么是死锁、活锁

什么是死锁：就是在并发程序中，两个或多个线程彼此等待对方完成操作，从而导致它们都被阻塞，并无限期地等待对方完成。这种情况下，程序会卡死，无法继续执行。

什么是活锁：就是程序一直在运行，但是无法取得进展。例如，在某些情况下，多个线程会争夺同一个资源，然后每个线程都会释放资源，以便其他线程可以使用它。但是，如果没有正确的同步，这些线程可能会同时尝试获取该资源，然后再次释放它。这可能导致线程在无限循环中运行，却无法取得进展。

发生死锁的案例分析

1.编写会发生死锁的代码：

package main

import (
 "fmt"
 "sync"
)

func main() {
 var mu sync.Mutex
 mu.Lock()
 defer mu.Unlock()

 wg := sync.WaitGroup{}
 wg.Add(1)
 Go func() {
  fmt.Println("goroutine started")
  mu.Lock() // 在这里获取了锁
  fmt.Println("goroutine finished")
  mu.Unlock()
  wg.Done()
 }()

 wg.Wait()
}

运行和输出：

[root@workhost temp02]# go run main.go 
goroutine started
fatal error: all goroutines are asleep - deadlock! # 错误很明显了，告诉你死锁啦！

goroutine 1 [seMacquire]:
sync.runtime_Semacquire(0xc000010030?)
        /usr/local/go/src/runtime/sema.go:62 +0x27
...
...

上面的代码，使用 sync.Mutex 实现了一个互斥锁。主 goroutine 获取了锁，并启动了一个新的 goroutine。新 goroutine 也尝试获取锁来执行其任务。但是，由于主 goroutine 没有释放锁，新 goroutine 将一直等待锁，导致死锁。

2.代码改造

在上面的代码中，可以通过将主 goroutine 中的 defer mu.Unlock() 移到 goroutine 函数中的 mu.Unlock() 后面来解决问题。这样，当 goroutine 获取到锁后，它可以在完成任务后释放锁，以便主 goroutine 可以继续执行。

改造后的代码：

package main

import (
 "fmt"
 "sync"
)

func main() {
 var mu sync.Mutex
 mu.Lock()
 wg := sync.WaitGroup{}
 wg.Add(1)
 go func() {
  fmt.Println("goroutine started")
  mu.Lock() // 在这里获取了锁
  fmt.Println("goroutine finished")
  mu.Unlock()
  wg.Done()
 }()
 mu.Unlock() // 释放锁
 wg.Wait()
}

运行和输出：

[root@workhost temp02]# go run main.go 
goroutine started
goroutine finished

3.如何避免死锁

在 Go 语言中，要避免死锁，一定要清楚以下几个规则：

  • 避免嵌套锁：在使用多个锁时，确保它们的嵌套顺序相同。否则，可能会出现循环等待的情况，导致死锁。
  • 避免无限等待：如果在获取锁时指定了超时时间，确保在超时后能够处理错误或执行其他操作。
  • 避免过度竞争：如果多个协程需要访问相同的资源，请确保它们不会互相干扰。可以使用互斥锁或读写锁等机制来解决竞争问题。
  • 使用通道：Go 语言中的通道可以用于协调并发操作。使用通道来传递消息和同步操作，可以避免死锁和竞争问题。
  • 确保资源释放：在使用锁或其他资源时，一定要确保它们在使用后得到释放，否则可能会导致死锁。
  • 使用 select 语句：在使用通道进行并发操作时，可以使用 select 语句来避免死锁。通过 select 语句选择多个通道中的一个进行操作，可以避免在某个通道被阻塞时出现死锁。

发生活锁的案例分析

1.编写会发生活锁的代码：

package main

import (
 "fmt"
 "sync"
)

func main() {
 var wg sync.WaitGroup
 var mu sync.Mutex
 var flag bool

 wg.Add(2)

 // goroutine 1
 go func() {
  // 先获取锁资源
  fmt.Println("goroutine 1 获取 mu")
  mu.Lock()
  defer mu.Unlock()

  // 然后等待 flag 变量的值变为 true
  fmt.Println("goroutine 1 等待标志")
  for !flag {
   // 不断循环等待
  }

  // 最终输出并释放锁资源
  fmt.Println("goroutine 1 从等待中释放")
  wg.Done()
 }()

 // goroutine 2
 go func() {
  // 先获取锁资源
  fmt.Println("goroutine 2 获取 mu")
  mu.Lock()
  defer mu.Unlock()

  // 然后等待 flag 变量的值变为 true
  fmt.Println("GoRoutine2 等待标志")
  for !flag {
   // 不断循环等待
  }

  // 最终输出并释放锁资源
  fmt.Println("GoRoutine 2 从等待中释放")
  wg.Done()
 }()

 // 在主线程中等待 1 秒钟，以便两个 goroutine 开始等待 flag 变量的值
 // 然后将 flag 变量设置为 true
 // 由于两个 goroutine 会同时唤醒并尝试获取锁资源，它们会相互等待
 // 最终导致了活锁问题，它们都无法向前推进
 fmt.Println("主线程休眠 1 秒")
 fmt.Println("两个goroutine都应该等待标志")
 flag = true
 wg.Wait()

 fmt.Println("所有 GoRoutines 已完成")
}

运行和输出：

[root@workhost temp02]# go run main.go 
主线程休眠 1 秒
两个goroutine都应该等待标志
goroutine 2 获取 mu
GoRoutine2 等待标志
GoRoutine 2 从等待中释放
goroutine 1 获取 mu
goroutine 1 等待标志
goroutine 1 从等待中释放
所有 GoRoutines 已完成

上面的代码存在活锁问题。如果两个goroutine同时等待flag变为true并且都已经获取了锁资源，那么它们就会进入一个死循环并相互等待，无法继续向前推进。

2.代码改造

改造后的代码：

package main

import (
 "fmt"
 "runtime"
 "sync"
)

func main() {
 var wg sync.WaitGroup
 var mu sync.Mutex
 var flag bool

 wg.Add(2)

 // goroutine 1
 go func() {
  // 先获取锁资源
  fmt.Println("goroutine 1 获取 mu")
  mu.Lock()
  defer mu.Unlock()

  // 然后等待 flag 变量的值变为 true
  fmt.Println("goroutine 1 等待标志")
  for !flag {
   runtime.Gosched() // 让出时间片
  }

  // 最终输出并释放锁资源
  fmt.Println("goroutine 1 从等待中释放")
  wg.Done()
 }()

 // goroutine 2
 go func() {
  // 先获取锁资源
  fmt.Println("goroutine 2 获取 mu")
  mu.Lock()
  defer mu.Unlock()

  // 然后等待 flag 变量的值变为 true
  fmt.Println("GoRoutine2 等待标志")
  for !flag {
   runtime.Gosched() // 让出时间片
  }

  // 最终输出并释放锁资源
  fmt.Println("GoRoutine 2 从等待中释放")
  wg.Done()
 }()

 // 在主线程中等待 1 秒钟，以便两个 goroutine 开始等待 flag 变量的值
 // 然后将 flag 变量设置为 true
 // 由于两个 goroutine 会同时唤醒并尝试获取锁资源，它们会相互等待
 // 最终导致了活锁问题，它们都无法向前推进
 fmt.Println("主线程休眠 1 秒")
 fmt.Println("两个goroutine都应该等待标志")
 flag = true
 wg.Wait()

 fmt.Println("所有 GoRoutines 已完成")
}

改造后的代码在等待flag变量的循环中加入了让出时间片的函数 runtime.Gosched()，这样两个goroutine在等待期间可以放弃时间片，以便其他goroutine可以执行并获得锁资源。这种方式可以有效地减少竞争程度，从而避免了活锁问题。

3.如何避免发生活锁的可能性

在 Go 语言的并发编程中，避免活锁的关键是正确地实现同步机制。以下是一些避免活锁的方法：

  • 避免忙等待：使用 sync.Cond 或者 channel 等同步机制来实现等待。这样避免了线程一直占用 CPU 资源而无法取得进展的问题。
  • 避免死锁：死锁往往是活锁的前提，因此正确地使用锁和同步机制可以避免死锁，从而避免活锁。
  • 减少锁的粒度：尽可能将锁的粒度缩小到最小范围，避免锁住不必要的代码块。
  • 采用超时机制：使用 sync.Mutex 的 TryLock() 方法或者使用 select 语句实现等待超时机制，这样可以防止线程无限期等待。
  • 合理设计并发模型：合理设计并发模型可以避免竞争和饥饿等问题，进而避免活锁的发生。

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