一文带你深入理解Golang中的RWMutex

2023-05-14 06:05:34 理解 带你 一文

在上一篇文章《深入理解 Go Mutex》中, 我们已经对 go Mutex 的实现原理有了一个大致的了解,也知道了 Mutex 可以实现并发读写的安全。 今天,我们再来看看另外一种锁,RWMutex,有时候,其实我们读数据的频率要远远高于写数据的频率, 而且不同协程应该可以同时读取的,这个时候,RWMutex 就派上用场了。

RWMutex 的实现原理和 Mutex 类似,只是在 Mutex 的基础上,区分了读锁和写锁:

  • 读锁:只要没有写锁,就可以获取读锁,多个协程可以同时获取读锁(可以并行读)。
  • 写锁:只能有一个协程获取写锁,其他协程想获取读锁或写锁都只能等待。

下面就让我们来深入了解一下 RWMutex 的基本使用和实现原理等内容。

RWMutex 的整体模型

正如 RWMutex 的命名那样,它是区分了读锁和写锁的锁,所以我们可以从读和写两个方面来看 RWMutex 的模型。

下文中的 reader 指的是进行读操作的 goroutine,writer 指的是进行写操作的 goroutine。

读操作模型

我们可以用下图来表示 RWMutex 的读操作模型:

上图使用了 w.Lock,是因为 RWMutex 的实现中,写锁是使用 Mutex 来实现的。

说明:

  • 读操作的时候可以同时有多个 goroutine 持有 RLock,然后进入临界区。(也就是可以并行读),上图的 G1G2G3 就是同时持有 RLock 的几个 goroutine。
  • 在读操作的时候,如果有 goroutine 持有 RLock,那么其他 goroutine (不管是读还是写)就只能等待,直到所有持有 RLock 的 goroutine 释放锁。
  • 也就是上图的 G4 需要等待 G1G2G3 释放锁之后才能进入临界区。
  • 最后,因为 G5G6 这两个协程获取锁的时机比 G4 晚,所以它们会在 G4 释放锁之后才能进入临界区。

写操作模型

我们可以用下图来表示 RWMutex 的写操作模型:

说明:

写操作的时候只能有一个 goroutine 持有 Lock,然后进入临界区,释放写锁之前,所有其他的 goroutine 都只能等待。

上图的 G1~G5 表示的是按时间顺序先后获取锁的几个 goroutine。

上面几个 goroutine 获取锁的过程是:

  • G1 获取写锁,进入临界区。然后 G2G3G4G5 都在等待。
  • G1 释放写锁之后,G2G3 可以同时获取读锁,进入临界区。然后 G3G4G5 都在等待。
  • G2G3 可以同时获取读锁,进入临界区。然后 G4G5 都在等待。
  • G2G3 释放读锁之后,G4 获取写锁,进入临界区。然后 G5 在等待。
  • 最后,G4 释放写锁,G5 获取读锁,进入临界区。

基本用法

RWMutex 中包含了以下的方法:

  • Lock:获取写锁,如果有其他 goroutine 持有读锁或写锁,那么就会阻塞等待。
  • Unlock:释放写锁。
  • RLock:获取读锁,如果有其他 goroutine 持有写锁,那么就会阻塞等待。
  • RUnlock:释放读锁。

其他不常用的方法:

  • RLocker:返回一个读锁,该锁包含了 RLockRUnlock 方法,可以用来获取读锁和释放读锁。
  • TryLock: 尝试获取写锁,如果获取成功,返回 true,否则返回 false。不会阻塞等待。
  • TryRLock: 尝试获取读锁,如果获取成功,返回 true,否则返回 false。不会阻塞等待。

一个简单的例子

我们可以通过下面的例子来看一下 RWMutex 的基本用法:

package mutex

import (
   "sync"
   "testing"
)

var config map[string]string
var mu sync.RWMutex

func TestRWMutex(t *testing.T) {
   config = make(map[string]string)

   // 启动 10 个 goroutine 来写
   var wg1 sync.WaitGroup
   wg1.Add(10)
   for i := 0; i < 10; i++ {
      go func() {
         set("foo", "bar")
         wg1.Done()
      }()
   }

   // 启动 100 个 goroutine 来读
   var wg2 sync.WaitGroup
   wg2.Add(100)
   for i := 0; i < 100; i++ {
      go func() {
         get("foo")
         wg2.Done()
      }()
   }

   wg1.Wait()
   wg2.Wait()
}

// 获取配置
func get(key string) string {
   // 获取读锁,可以多个 goroutine 并发读取
   mu.RLock()
   defer mu.RUnlock()

   if v, ok := config[key]; ok {
      return v
   }

   return ""
}

// 设置配置
func set(key, val string) {
   // 获取写锁
   mu.Lock()
   defer mu.Unlock()

   config[key] = val
}

上面的例子中,我们启动了 10 个 goroutine 来写配置,启动了 100 个 goroutine 来读配置。 这跟我们现实开发中的场景是一样的,很多时候其实是读多写少的。 如果我们在读的时候也使用互斥锁,那么就会导致读的性能非常差,因为读操作一般都不会有副作用的,但是如果使用互斥锁,那么就只能一个一个的读了。

而如果我们使用 RWMutex,那么就可以同时有多个 goroutine 来读取配置,这样就可以大大提高读的性能。 因为我们进行读操作的时候,可以多个 goroutine 并发读取,这样就可以大大提高读的性能。

RWMutex 使用的注意事项

在《深入理解 go Mutex》中,我们已经讲过了 Mutex 的使用注意事项, 其实 RWMutex 的使用注意事项也是差不多的:

  • 不要忘记释放锁,不管是读锁还是写锁。
  • Lock 之后,没有释放锁之前,不能再次使用 Lock
  • Unlock 之前,必须已经调用了 Lock,否则会 panic
  • 在第一次使用 RWMutex 之后,不能复制,因为这样一来 RWMutex 的状态也会被复制。这个可以使用 go vet 来检查。

源码剖析

RWMutex 的一些实现原理跟 Mutex 是一样的,比如阻塞的时候使用信号量等,在 Mutex 那一篇中已经有讲解了,这里不再赘述。 这里就 RWMutex 的实现原理进行一些简单的剖析。

RWMutex 结构体

RWMutex 的结构体定义如下:

type RWMutex struct {
   w           Mutex        // 互斥锁,用于保护读写锁的状态
   writerSem   uint32       // writer 信号量
   readerSem   uint32       // reader 信号量
   readerCount atomic.Int32 // 所有 reader 数量
   readerWait  atomic.Int32 // writer 等待完成的 reader 数量
}

各字段含义:

  • w:互斥锁,用于保护读写锁的状态。RWMutex 的写锁是互斥锁,所以直接使用 Mutex 就可以了。
  • writerSem:writer 信号量,用于实现写锁的阻塞等待。
  • readerSem:reader 信号量,用于实现读锁的阻塞等待。
  • readerCount:所有 reader 数量(包括已经获取读锁的和正在等待获取读锁的 reader)。
  • readerWait:writer 等待完成的 reader 数量(也就是获取写锁的时刻,已经获取到读锁的 reader 数量)。

因为要区分读锁和写锁,所以在 RWMutex 中,我们需要两个信号量,一个用于实现写锁的阻塞等待,一个用于实现读锁的阻塞等待。 我们需要特别注意的是 readerCountreaderWait 这两个字段,我们可能会比较好奇,为什么有了 readerCount 这个字段, 还需要 readerWait 这个字段呢?

这是因为,我们在尝试获取写锁的时候,可能会有多个 reader 正在使用读锁,这时候我们需要知道有多少个 reader 正在使用读锁, 等待这些 reader 释放读锁之后,就获取写锁了,而 readerWait 这个字段就是用来记录这个数量的。 在 Lock 中获取写锁的时候,如果观测到 readerWait 不为 0 则会阻塞等待,直到 readerWait 为 0 之后才会真正获取写锁,然后才可以进行写操作。

读锁源码剖析

获取读锁的方法如下:

// 获取读锁
func (rw *RWMutex) RLock() {
   if rw.readerCount.Add(1) < 0 {
      // 有 writer 在使用锁,阻塞等待 writer 完成
      runtime_SeMacquireRWMutexR(&rw.readerSem, false, 0)
   }
}

读锁的实现很简单,先将 readerCount 加 1,如果加 1 之后的值小于 0,说明有 writer 正在使用锁,那么就需要阻塞等待 writer 完成。

释放读锁的方法如下:

// 释放读锁
func (rw *RWMutex) RUnlock() {
   // readerCount 减 1,如果 readerCount 小于 0 说明有 writer 在等待
   if r := rw.readerCount.Add(-1); r < 0 {
      // 有 writer 在等待,唤醒 writer
      rw.rUnlockSlow(r)
   }
}

// 唤醒 writer
func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
   // 未 Lock 就 Unlock,panic
   if r+1 == 0 || r+1 == -rwmutexMaxReaders {
      fatal("sync: RUnlock of unlocked RWMutex")
   }
   // readerWait 减 1,返回值是新的 readerWait 值
   if rw.readerWait.Add(-1) == 0 {
      // 最后一个 reader 唤醒 writer
      runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)
   }
}

读锁的实现总结:

  • 获取读锁的时候,会将 readerCount 加 1
  • 如果正在获取读锁的时候,发现 readerCount 小于 0,说明有 writer 正在使用锁,那么就需要阻塞等待 writer 完成。
  • 释放读锁的时候,会将 readerCount 减 1
  • 如果 readerCount 减 1 之后小于 0,说明有 writer 正在等待,那么就需要唤醒 writer。
  • 唤醒 writer 的时候,会将 readerWait 减 1,如果 readerWait 减 1 之后为 0,说明 writer 获取锁的时候存在的 reader 都已经释放了读锁,可以获取写锁了。

·rwmutexMaxReaders算是一个特殊的标识,在获取写锁的时候会将readerCount的值减去rwmutexMaxReaders, 所以在其他地方可以根据 readerCount` 是否小于 0 来判断是否有 writer 正在使用锁。

写锁源码剖析

获取写锁的方法如下:

// 获取写锁
func (rw *RWMutex) Lock() {
   // 首先,解决与其他写入者的竞争。
   rw.w.Lock()
   // 向读者宣布有一个待处理的写入。
   // r 就是当前还没有完成的读操作,等这部分读操作完成之后才可以获取写锁。
   r := rw.readerCount.Add(-rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
   // 等待活跃的 reader
   if r != 0 && rw.readerWait.Add(r) != 0 {
      // 阻塞,等待最后一个 reader 唤醒
      runtime_SemacquireRWMutex(&rw.writerSem, false, 0)
   }
}

释放写锁的方法如下:

// 释放写锁
func (rw *RWMutex) Unlock() {
   // 向 readers 宣布没有活动的 writer。
   r := rw.readerCount.Add(rwmutexMaxReaders)
   if r >= rwmutexMaxReaders { // r >= 0 并且 < rwmutexMaxReaders 才是正常的(r 是持有写锁期间尝试获取读锁的 reader 数量)
      fatal("sync: Unlock of unlocked RWMutex")
   }
   // 如果有 reader 在等待写锁释放,那么唤醒这些 reader。
   for i := 0; i < int(r); i++ {
      runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)
   }
   // 允许其他的 writer 继续进行。
   rw.w.Unlock()
}

写锁的实现总结:

  • 获取写锁的时候,会将 readerCount 减去 rwmutexMaxReaders,这样就可以区分读锁和写锁了。
  • 如果 readerCount 减去 rwmutexMaxReaders 之后不为 0,说明有 reader 正在使用读锁,那么就需要阻塞等待这些 reader 释放读锁。
  • 释放写锁的时候,会将 readerCount 加上 rwmutexMaxReaders
  • 如果 readerCount 加上 rwmutexMaxReaders 之后大于 0,说明有 reader 正在等待写锁释放,那么就需要唤醒这些 reader。

TryRLock 和 TryLock

TryRLockTryLock 的实现都很简单,都是尝试获取读锁或者写锁,如果获取不到就返回 false,获取到了就返回 true,这两个方法不会阻塞等待。

// TryRLock 尝试锁定 rw 以进行读取,并报告是否成功。
func (rw *RWMutex) TryRLock() bool {
   for {
      c := rw.readerCount.Load()
      // 有 goroutine 持有写锁
      if c < 0 {
         return false
      }
      // 尝试获取读锁
      if rw.readerCount.CompareAndSwap(c, c+1) {
         return true
      }
   }
}

// TryLock 尝试锁定 rw 以进行写入,并报告是否成功。
func (rw *RWMutex) TryLock() bool {
   // 写锁被占用
   if !rw.w.TryLock() {
      return false
   }
   // 读锁被占用
   if !rw.readerCount.CompareAndSwap(0, -rwmutexMaxReaders) {
      // 释放写锁
      rw.w.Unlock()
      return false
   }
   // 成功获取到锁
   return true
}

总结

RWMutex 使用起来比较简单,相比 Mutex 而言,它区分了读锁和写锁,可以提高并发性能。最后,总结一下本文内容:

RWMutex 有两种锁:读锁和写锁。

读锁可以被多个 goroutine 同时持有,写锁只能被一个 goroutine 持有。也就是可以并发读,但只能互斥写。

写锁被占用的时候,其他的读和写操作都会被阻塞。读锁被占用的时候,其他的写操作会被阻塞,但是读操作不会被阻塞。除非读操作发生在一个新的写操作之后。

RWMutex 包含以下几个方法:

  • Lock:获取写锁,如果有其他的写锁或者读锁被占用,那么就会阻塞等待。
  • Unlock:释放写锁。
  • RLock:获取读锁,如果写锁被占用,那么就会阻塞等待。
  • RUnlock:释放读锁。

也包含了两个非阻塞的方法:

  • TryLock:尝试获取写锁,如果获取不到就返回 false,获取到了就返回 true
  • TryRLock:尝试获取读锁,如果获取不到就返回 false,获取到了就返回 true

RWMutex 使用的注意事项跟 Mutex 差不多:

  • 使用之后不能复制
  • Unlock 之前需要有 Lock 调用,否则 panicRUnlock 之前需要有 RLock 调用,否则 panic
  • 不要忘记使用 UnlockRUnlock 释放锁。

RWMutex 的实现:

  • 写锁还是使用 Mutex 来实现。
  • 获取读锁和写锁的时候,如果获取不到都会阻塞等待,直到被唤醒。
  • 获取写锁的时候,会将 readerCount 减去 rwmutexMaxReaders,这样就可以直到有写锁被占用。释放写锁的时候,会将 readerCount 加上 rwmutexMaxReaders
  • 获取写锁的时候,如果还有读操作未完成,那么这一次获取写锁只会等待这部分未完成的读操作完成。所有后续的操作只能等待这一次写锁释放。

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