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Go语言读写锁 RWMutex 详解

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前言

在前面两篇文章中  、，我们学习了 Go语言 中的 Mutex，它是一把互斥锁，每次只允许一个 goroutine 进入临界区，可以保证临界区资源的状态正确性。但是有的情况下，并不是所有 goroutine 都会修改临界区状态，可能只是读取临界区的数据，如果此时还是需要每个 goroutine 拿到锁依次进入的话，效率就有些低下了。例如房间里面有一幅画，有人想修改，有人只是想看一下，完全可以放要看的一部分人进去，等他们看完再让修改的人进去修改，这样既提高了效率，也保证了临界区资源的安全。看和修改，对应的就是读和写，本篇文章我们就一起来学习下 Go语言 中的读写锁 sync.RWMutex。

说明：本文中的示例，均是基于Go1.17 64位机器

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。

  1. 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；
  2. 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；
  3. 当前面的 reader 执行完读操作之后，writer 执行写操作；
  4. 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 详解
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 详解
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 详解
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。

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：

  1. 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；
  2. 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；
  3. 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

  1. 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。

  2. 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。

  3. 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()
}

总结

本文以图文并茂的方式介绍了RWMutex的运行机制，对源码进行逐行分析，学习了 RWMutex 底层是如何实现的，同时列举了一些 RWMutex 的常见错误。如果本篇文章对有所帮助，点个关注 + 转发哦 ^_^

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