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Golang中的RWMutex怎么使用

发布时间:2023-05-09 16:04:57 来源:亿速云 阅读:214 作者:iii 栏目:开发技术

本篇内容主要讲解“Golang中的RWMutex怎么使用”,感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷,实用性强。下面就让小编来带大家学习“Golang中的RWMutex怎么使用”吧!

    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:

    Golang中的RWMutex怎么使用

    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:

    Golang中的RWMutex怎么使用

    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。

    &middot;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
    }

    到此,相信大家对“Golang中的RWMutex怎么使用”有了更深的了解,不妨来实际操作一番吧!这里是亿速云网站,更多相关内容可以进入相关频道进行查询,关注我们,继续学习!

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