Golang的锁机制与使用技巧小结

2022-11-13 09:11:46 机制 使用技巧 小结

1. sync.Mutex详解

sync.Mutex是Go中的互斥锁，通过.lock()方法上锁，.unlock()方法解锁。需要注意的是，因为Go函数值传递的特点，sync.Mutex通过函数传递时，会进行一次拷贝，所以传递过去的锁是一把全新的锁，大家在使用时要注意这一点,另外sync.Mutex是非重入锁，这一点要与Java中的锁区分。

type Mutex {
    state int32
    sema  uint32
}

上面数据结构中的state最低三位分别表示 mutexLocked、mutexWoken 和 mutexStarving，剩下的位置用来表示当前有多少个 Goroutine 等待互斥锁的释放：

32                                               3             2             1             0 
 |                                               |             |             |             | 
 |                                               |             |             |             | 
 v-----------------------------------------------v-------------v-------------v-------------+ 
 |                                               |             |             |             v 
 |                 waitersCount                  |mutexStarving| mutexWoken  | mutexLocked | 
 |                                               |             |             |             | 
 +-----------------------------------------------+-------------+-------------+-------------+
  • mutexLocked — 表示互斥锁的锁定状态；
  • mutexWoken — 表示从正常模式被从唤醒；
  • mutexStarving — 当前的互斥锁进入饥饿状态；
  • waitersCount — 当前互斥锁上等待的 goroutine 个数；

2. RWMutex详解

type RWMutex struct {
	w           Mutex  // 复用互斥锁
	writerSem   uint32 // 写锁监听读锁释放的信号量
	readerSem   uint32 // 读锁监听写锁释放的信号量
	readerCount int32  // 当前正在执行读操作的数量
	readerWait  int32  // 当写操作被阻塞时，需要等待读操作完成的个数
}
  • 读操作如何防止并发读写问题的？

RLock(): 申请读锁，每次执行此函数后，会对readerCount++，此时当有写操作执行Lock()时会判断readerCount>0,就会阻塞。

RUnLock(): 解除读锁，执行readerCount–，释放信号量唤醒等待写操作的goroutine。

  • 写操作如何防止并发读写、并发写写问题？

Lock(): 申请写锁，获取互斥锁，此时会阻塞其他的写操作。并将readerCount 置为 -1，当有读操作进来，发现readerCount = -1， 即知道有写操作在进行，阻塞。

Unlock(): 解除写锁，会先通知所有阻塞的读操作goroutine，然后才会释放持有的互斥锁。

  • 写操作的饥饿问题？

这是由于写操作要等待读操作结束后才可以获得锁，而写操作在等待期间可能还有新的读操作持续到来，如果写操作等待所有读操作结束，很可能会一直阻塞，这种现象称之为写操作被饿死。

通过RWMutex结构体中的readerWait属性可完美解决这个问题。

当写操作到来时，会把RWMutex.readerCount值拷贝到RWMutex.readerWait中，用于标记排在写操作前面的读者个数。

前面的读操作结束后，除了会递减RWMutex.readerCount，还会递减RWMutex.readerWait值，当RWMutex.readerWait值变为0时唤醒写操作。

3. sync.Map详解

一般情况下解决并发读写 map 的思路是加一把大锁，或者把一个 map 分成若干个小 map，对 key 进行哈希，只操作相应的小 map。前者锁的粒度比较大，影响效率；后者实现起来比较复杂，容易出错。

而使用 sync.map 之后，对 map 的读写，不需要加锁。并且它通过空间换时间的方式，使用 read 和 dirty 两个 map 来进行读写分离，降低锁时间来提高效率。

type Map struct {
	mu Mutex
	read atomic.Value // readOnly
	dirty map[interface{}]*entry
	misses int
}

// readOnly is an immutable struct stored atomically in the Map.read field.
type readOnly struct {
	m       map[interface{}]*entry
	amended bool // true if the dirty map contains some key not in m.
}

type entry struct {
	p unsafe.Pointer // *interface{}
}

在进行读操作的时候，会先在read中找，没有命中的话会锁住dirty并且寻找，如果找到了miss计数+1，超过阈值时将dirty赋值给read；

在进行添加操作时，直接在dirty中添加；

在进行修改操作时，先改read，再改dirty；

在进行删除操作时，将read中加上amended标记，dirty中直接删除。

4. 原子操作 atomic.Value

愿此操作的底层是靠 MESI 缓存一致性协议来维持的。

Go的 atomic.Value 需要注意应该放入只读对象。

//atomic.Value源码

type Value struct {
	v interface{} // 所以可以存储任何类型的数据
}

// 空 interface{} 的内部表示格式，作用是将interface{}类型分解，得到其中两个字段
type ifaceWords struct {
	typ  unsafe.Pointer
	data unsafe.Pointer
}

// 取数据就是正常走流程
func (v *Value) Load() (x interface{}) {
	vp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(v))
	typ := LoadPointer(&vp.typ)
	if typ == nil || uintptr(typ) == ^uintptr(0) {
		// 第一次还没写入
		return nil
	}
  // 构造新的interface{}返回出去
	data := LoadPointer(&vp.data)
	xp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(&x))
	xp.typ = typ
	xp.data = data
	return
}

// 写数据（如何保证数据完整性）
func (v *Value) Store(x interface{}) {
	if x == nil {
		panic("sync/atomic: store of nil value into Value")
	}
  // 绕过 Go 语言类型系统的检查，与任意的指针类型互相转换
	vp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(v)) // 旧值
	xp := (*ifaceWords)(unsafe.Pointer(&x)) // 新值
	for { // 配合CompareAndSwap达到乐观锁的功效
		typ := LoadPointer(&vp.typ)
		if typ == nil { // 第一次写入
			runtime_procPin() // 禁止抢占
			if !CompareAndSwapPointer(&vp.typ, nil, unsafe.Pointer(^uintptr(0))) {
				runtime_procUnpin() // 没有抢到锁，说明已经有别的线程抢先完成赋值，重新进入循环
				continue
			}
			// 首次赋值
			StorePointer(&vp.data, xp.data)
			StorePointer(&vp.typ, xp.typ)
			runtime_procUnpin() // 写入成功，解除占用状态
			return
		}
		if uintptr(typ) == ^uintptr(0) {
			// 第一次写入还未完成，继续等待
			continue
		}
		// 两次需要写入相同类型
		if typ != xp.typ {
			panic("sync/atomic: store of inconsistently typed value into Value")
		}
		StorePointer(&vp.data, xp.data)
		return
	}
}

// 禁止抢占，标记当前G在M上不会被抢占，并返回当前所在P的ID。
func runtime_procPin()
// 解除G的禁止抢占状态，之后G可被抢占。
func runtime_procUnpin()

5. 使用小技巧

  • 减小临界区域（减少锁的持有时间）
var m sync.Mutex

func DoSth() {
    // do sth1
    func() {
       u.lock()
       defer m.unlock()
       // do sth2
    }() 
    // do sth3
}

如上所示，如果do sth3中是很费时的io操作，使用这个技巧可以将临界区减小，提高性能，不过，如果本身临界区就不大，锁操作后续没有什么费时操作，那么也就没有必要这样操作了。

  • 减小锁的粒度

在高并发场景下，用锁的数量来换取并发效率，类似于java中ConcurrentHashMap的分段锁思想，增加锁的数量，减少一把锁控制的数据量。

  • 读写分离(读写锁): RWMutex，sync.Map

在读多写少的情景下，可以使用读写锁，提高读操作的并发性能。

  • 使用原子操作

原子操作是CPU指令级的操作，不会触发g调度机制。，不阻塞执行流

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