Go语言读写锁RWMutex怎么使用

2023-06-15 14:03:09 语言 读写 RWMutex

本篇内容介绍了“Go语言读写锁RWMutex怎么使用”的有关知识,在实际案例的操作过程中,不少人都会遇到这样的困境,接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧!希望大家仔细阅读,能够学有所成!

    RWMutex 总览

    RWMutex
     是一个读/写互斥锁,在某一时刻只能由任意数量的 
    reader
     持有 或者 一个 writer 持有。也就是说,要么放行任意数量的 reader,多个 reader 可以并行读;要么放行一个 writer,多个 writer 需要串行写。

    RWMutex 对外暴露的方法有五个:

    • RLock():读操作获取锁,如果锁已经被 

      writer
       占用,会一直阻塞直到 
      writer
       释放锁;否则直接获得锁;

    • RUnlock():读操作完毕之后释放锁;

    • Lock():写操作获取锁,如果锁已经被 

      reader
       或者 
      writer
       占用,会一直阻塞直到获取到锁;否则直接获得锁;

    • Unlock():写操作完毕之后释放锁;

    • RLocker():返回读操作的 

      Locker
       对象,该对象的 
      Lock()
       方法对应 
      RWMutex
       的 
      RLock()
      Unlock()
       方法对应 
      RWMutex
       的 
      RUnlock()
       方法。

    一旦涉及到多个 reader 和 writer ,就需要考虑优先级问题,是 reader 优先还是 writer 优先:

    • reader优先:只要有 reader 要进行读操作,writer 就一直等待,直到没有 reader 到来。这种方式做到了读操作的并发,但是如果 reader 持续到来,会导致 writer 饥饿,一直不能进行写操作;

    • writer优先:只要有 writer 要进行写操作,reader 就一直等待,直到没有 writer 到来。这种方式提高了写操作的优先级,但是如果 writer 持续到来,会导致 reader 饥饿,一直不能进行读操作;

    • 没有优先级:按照先来先到的顺序,没有谁比谁更优先,这种相对来说会更公平。

    我们先来看下 RWMutex 的运行机制,就可以知道它的优先级是什么了。

    可以想象 RWMutex 有两个队伍,一个是包含 所有reader 和你获得准入权writer 的 队列A,一个是还没有获得准入权 writer 的 队列B。

    • 队列 A 最多只允许有 一个writer,如果有其他 writer,需要在 队列B 等待;

    • 当一个 writer 到了 队列A 后,只允许它 之前的reader 执行读操作,新来的 reader 需要在 队列A 后面排队;

    • 当前面的 reader 执行完读操作之后,writer 执行写操作;

    • writer 执行完写操作后,让 后面的reader 执行读操作,再唤醒队列B 的一个 writer 到 队列A 后面排队。

    初始时刻 队列A 中 writer 

    W1
     前面有三个 reader,后面有两个 reader,队列B中有两个 writer

    Go语言读写锁RWMutex怎么使用

    RWMutex运行示例:初始时刻

    并发读 多个 reader 可以同时获取到读锁,进入临界区进行读操作;writer 

    W1
     在 队列A 中等待,同时又来了两个 reader,直接在 队列A 后面排队

    Go语言读写锁RWMutex怎么使用

    RWMutex运行示例:并发读

    写操作 

    W1
     前面所有的 reader 完成后,
    W1
     获得锁,进入临界区操作

    Go语言读写锁RWMutex怎么使用

    RWMutex运行示例:写操作

    获得准入权 

    W1
     完成写操作退出,先让后面排队的 reader 进行读操作,然后从 队列B 中唤醒 
    W2
     到 队列A 排队。
    W2
     从 队列B 到 队列A 的过程中,
    R8
     先到了 队列A,因此 
    R8
     可以执行读操作。
    R9
    R10
    R11
     在 
    W2
     之后到的,所以在后面排队;新来的 
    W4
     直接在队列B 排队。

    Go语言读写锁RWMutex怎么使用

    RWMutex运行示例:获得准入权

    从上面的示例可以看出,

    RWMutex
     可以看作是没有优先级,按照先来先到的顺序去执行,只不过是 多个reader 可以 并行 去执行罢了。

    深入源码

    数据结构

    type RWMutex struct {
     w           Mutex  // 控制 writer 在 队列B 排队
     writerSem   uint32 // 写信号量,用于等待前面的 reader 完成读操作
     readerSem   uint32 // 读信号量,用于等待前面的 writer 完成写操作
     readerCount int32  // reader 的总数量,同时也指示是否有 writer 在队列A 中等待
     readerWait  int32  // 队列A 中 writer 前面 reader 的数量
    }
    
    // 允许最大的 reader 数量
    const rwmutexMaxReaders = 1 << 30

    上述中的几个变量,比较特殊的是 

    readerCount
     ,不仅表示当前 
    所有reader
     的数量,同时表示是否有 
    writer
     在队列A中等待。当 
    readerCount
     变为 
    负数
     时,就代表有 writer 在队列A 中等待了。

    • 当有 writer 进入 队列A 后,会将 

      readerCount
       变为负数,即 
      readerCount = readerCount - rwmutexMaxReaders
      ,同时利用 
      readerWait
       变量记录它前面有多少个 reader;

    • 如果有新来的 reader,发现 

      readerCount
       是负数,就会直接去后面排队;

    • writer 前面的 reader 在释放锁时,会将 

      readerCount
       和 
      readerWait
      都减一,当 readerWait==0 时,表示 writer 前面的所有 reader 都执行完了,可以让 writer 执行写操作了;

    • writer 执行写操作完毕后,会将 readerCount 再变回正数,

      readerCount = readerCount + rwmutexMaxReaders

    举例:假设当前有两个 reader,readerCount = 2;允许最大的reader 数量为 10

    • 当 writer 进入队列A 时,readerCount = readerCount - rwmutexMaxReaders = -8,readerWait = readerCount = 2

    • 如果再来 3 个reader,readerCount = readerCount + 3 = -5

    • 获得读锁的两个reader 执行完后,readerCount = readerCount - 2 = -7,readerWait = readerWait-2 =0,writer 获得锁

    • writer 执行完后,readerCount = readerCount + rwmutexMaxReaders = 3,当前有 3个 reader

    RLock()

    reader 执行读操作之前,需要调用 RLock() 获取锁

    func (rw *RWMutex) RLock() {
     
      // reader 加锁,将 readerCount 加一,表示多了个 reader
      if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
      
        // 如果 readerCount<0,说明有 writer 在自己前面等待,排队等待读信号量
      runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false, 0)
     }
    }

    RUnlock()

    reader 执行完读操作后,调用 RUnlock() 释放锁

    func (rw *RWMutex) RUnlock() {
    
      // reader 释放锁,将 readerCount 减一,表示少了个 reader
     if r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -1); r < 0 {
      
        // 如果readerCount<0,说明有 writer 在自己后面等待,看是否要让 writer 运行
      rw.rUnlockSlow(r)
     }
    }
    func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
    
      // 将 readerWait 减一,表示前面的 reader 少了一个
     if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {
        
      // 如果 readerWait 变为了0,那么自己就是最后一个完成的 reader
        // 释放写信号量,让 writer 运行
      runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)
     }
    }

    Lock()

    writer 执行写操作之前,调用 Lock() 获取锁

    func (rw *RWMutex) Lock() {
    
       // 利用互斥锁,如果前面有 writer,那么就需要等待互斥锁,即在队列B 中排队等待;如果没有,可以直接进入 队列A 排队
       rw.w.Lock()
    
      // atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) 将 readerCount 变成了负数
      // 再加 rwmutexMaxReaders,相当于 r = readerCount,r 就是 writer 前面的 reader 数量
       r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
       
       // 如果 r!= 0 ,表示自己前面有 reader,那么令 readerWait = r,要等前面的 reader 运行完
       if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {
          runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false, 0)
       }
    
    }

    Lock()
     和 
    RUnlock()
     是会并发进行的:

    • 如果 Lock() 将 readerCount 变为负数后,假设 r=3,表示加入的那一刻前面有三个 reader,还没有赋值 readerWait CPU 就被强占了,readerWait = 0;

    • 假设此时三个 reader 的 RUnlock() 会进入到 rUnlockSlow() 逻辑,每个 reader 都将 readerWait 减一, readerWait 会变成负数,此时不符合唤醒 writer 的条件;

    • 三个 reader 运行完之后,此时 readerWait = -3, Lock() 运行到 atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) = -3+3 =0,也不会休眠,直接获取到锁,因为前面的 reader 都运行完了。

    这就是为什么 

    rUnlockSlow()
     要判断 
    atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0
     以及 
    Lock()
     要判断 
    atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0
     的原因。

    Unlock()

    writer 执行写操作之后,调用 Lock() 释放锁

    func (rw *RWMutex) Unlock() {
    
      // 将 readerCount 变为正数,表示当前没有 writer 在队列A 等待了
     r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)
    
      // 将自己后面等待的 reader 唤醒,可以进行读操作了
     for i := 0; i < int(r); i++ {
      runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)
     }
     
      // 释放互斥锁,如果队列B有writer,相当于唤醒一个来队列A 排队
     rw.w.Unlock()
    
    }

    writer 对 readerCount 一加一减,不会改变整体状态,只是用正负来表示是否有 writer 在等待。当然,如果在 writer 将 readerCount变为负数后,来了很多 reader,将 readerCount 变为了正数,此时reader 在 writer 没有释放锁的时候就获取到锁了,是有问题的。但是 rwmutexMaxReaders 非常大,可以不考虑这个问题。

    常见问题

    不可复制

    和 Mutex 一样,RWMutex 也是不可复制。不能复制的原因和互斥锁一样。一旦读写锁被使用,它的字段就会记录它当前的一些状态。这个时候你去复制这把锁,就会把它的状态也给复制过来。但是,原来的锁在释放的时候,并不会修改你复制出来的这个读写锁,这就会导致复制出来的读写锁的状态不对,可能永远无法释放锁。

    不可重入

    不可重入的原因是,获得锁之后,还没释放锁,又申请锁,这样有可能造成死锁。比如 reader A 获取到了读锁,writer B 等待 reader A 释放锁,reader 还没释放锁又申请了一把锁,但是这把锁申请不成功,他需要等待 writer B。这就形成了一个循环等待的死锁。

    加锁和释放锁一定要成对出现,不能忘记释放锁,也不能解锁一个未加锁的锁。

    实战一下

    Go 中的 map 是不支持 并发写的,我们可以利用 读写锁 RWMutex 来实现并发安全的 map。在读多写少的情况下,使用 RWMutex 要比 Mutex 性能高。

    package main
    
    import (
     "fmt"
     "math/rand"
     "sync"
     "time"
    )
    
    type ConcurrentMap struct {
     m     sync.RWMutex
     items map[string]interface{}
    }
    
    func (c *ConcurrentMap) Add(key string, value interface{}) {
     c.m.Lock()
     defer c.m.Unlock()
     c.items[key] = value
    }
    
    func (c *ConcurrentMap) Remove(key string) {
     c.m.Lock()
     defer c.m.Unlock()
     delete(c.items, key)
    }
    func (c *ConcurrentMap) Get(key string) interface{} {
     c.m.RLock()
     defer c.m.RUnlock()
     return c.items[key]
    }
    
    func NewConcurrentMap() ConcurrentMap {
     return ConcurrentMap{
      items: make(map[string]interface{}),
     }
    }
    
    func main() {
     m := NewConcurrentMap()
    
     var wait sync.WaitGroup
    
     wait.Add(10000)
     for i := 0; i < 10000; i++ {
    
      key := fmt.Sprintf("%d", rand.Intn(10))
      value := fmt.Sprintf("%d", rand.Intn(100))
      if i%100 == 0 {
       go func() {
        defer wait.Done()
        m.Add(key, value)
       }()
      } else {
       go func() {
        defer wait.Done()
        fmt.Println(m.Get(key))
        time.Sleep(time.Millisecond * 10)
       }()
      }
    
     }
    
     wait.Wait()
    }

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