Go 并發(fā)場(chǎng)景下如何保障數(shù)據(jù)讀寫(xiě)正確？本文聊聊 Mutex 的用法。

Go 語(yǔ)言作為一個(gè)原生支持用戶(hù)態(tài)進(jìn)程（Goroutine）的語(yǔ)言，當(dāng)提到并發(fā)編程、多線程編程時(shí)，往往都離不開(kāi)鎖這一概念。鎖是一種并發(fā)編程中的同步原語(yǔ)（Synchronization Primitives），它能保證多個(gè) Goroutine 在訪問(wèn)同一片內(nèi)存時(shí)不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)條件（Race condition）等問(wèn)題。

本文，我會(huì)帶你詳細(xì)了解互斥鎖的實(shí)現(xiàn)機(jī)制，以及 Go 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的互斥鎖 Mutex 的基本使用方法。后面會(huì)講解 Mutex 的具體實(shí)現(xiàn)原理、易錯(cuò)場(chǎng)景和一些拓展用法。 歡迎關(guān)注一下不迷路。

好了，我們先來(lái)看看互斥鎖的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

1、實(shí)現(xiàn)機(jī)制

互斥鎖 Mutex 是并發(fā)控制的一個(gè)基本手段，是為了避免并發(fā)競(jìng)爭(zhēng)建立的并發(fā)控制機(jī)制，其中有個(gè)“臨界區(qū)”的概念。

在并發(fā)編程過(guò)程中，如果程序中一部分資源或者變量會(huì)被并發(fā)訪問(wèn)或者修改，為了避免并發(fā)訪問(wèn)導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確，這部分程序需要率先被保護(hù)起來(lái)，之后操作，操作結(jié)束后去除保護(hù)，這部分被保護(hù)的程序就叫做 臨界區(qū)。

限定臨界區(qū)只能同時(shí)由一個(gè)線程持有。 當(dāng)臨界區(qū)由一個(gè)線程持有的時(shí)候，其它線程如果想進(jìn)入這個(gè)臨界區(qū)，就會(huì)返回失敗，或者是等待。直到持有的線程退出臨界區(qū)，其他線程才有機(jī)會(huì)獲得這個(gè)臨界區(qū)。如下圖：

Go mutex 臨界區(qū)示意圖

上圖互斥鎖就很好地解決了資源競(jìng)爭(zhēng)問(wèn)題，有人也把互斥鎖叫做排它鎖。那在 Go 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，它提供了 Mutex 來(lái)實(shí)現(xiàn)互斥鎖這個(gè)功能。

Go 語(yǔ)言在 sync 包中提供了用于同步的一些基本原語(yǔ)，包括常見(jiàn)的 sync.Mutex、sync.RWMutex、sync.WaitGroup、sync.Once 和 sync.Cond。這次主要講 Mutex。

接下來(lái)我們看看到底可以怎么使用 Mutex。

2、基本用法

在 Go 的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中，package sync 提供了鎖相關(guān)的一系列同步原語(yǔ)，這個(gè) package 還定義了一個(gè) Locker 的接口，Mutex 就實(shí)現(xiàn)了這個(gè)接口。

互斥鎖 Mutex 提供了兩個(gè)方法 Lock 和 Unlock：進(jìn)入到臨界區(qū)使用 Lock 方法加鎖，退出臨界區(qū)使用 Unlock 方法釋放鎖。

type Locker interface {
    Lock()
    Unlock()
}

上面可以看出，Go 定義的鎖接口的方法集很簡(jiǎn)單，就是請(qǐng)求鎖（Lock）和釋放鎖（Unlock）這兩個(gè)方法，繼承了 Go 語(yǔ)言一貫的簡(jiǎn)潔風(fēng)格。

我們本文會(huì)介紹的 Mutex 以及后面會(huì)介紹的讀寫(xiě)鎖 RWMutex 都實(shí)現(xiàn)了 Locker 接口，所以首先我把這個(gè)接口介紹了，提前了解一下。

func(m *Mutex)Lock()
func(m *Mutex)Unlock()

并發(fā)場(chǎng)景下，一個(gè) goroutine 調(diào)用 Lock 方法拿到鎖后，此時(shí)其他的 goroutine 會(huì)阻塞在 Lock 的調(diào)用上，一直等到當(dāng)前獲取到鎖的 goroutine 釋放鎖。

看到這兒，你可能會(huì)問(wèn)，為啥一定要加鎖呢？那我們就說(shuō)一下在并發(fā)場(chǎng)景下不使用鎖的例子，看下會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題。

舉一個(gè)計(jì)數(shù)器的例子，是由 10 個(gè) goroutine 對(duì)計(jì)數(shù)器進(jìn)行累加操作，每個(gè) goroutine 負(fù)責(zé)執(zhí)行 10 萬(wàn)次的加 1 操作，期望的結(jié)果是 1000000 （10 * 100000）。

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
)
    
func main() {
    var count = 0
    // 使用 WaitGroup 等待,創(chuàng)建 10 個(gè)goroutine
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(10)
    for i := 0; i< 10;i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            // 對(duì)變量count執(zhí)行10次加1
            for j := 0; j< 100000; j++ {
                count++
            }
        }()
    }
    // 等待 10個(gè) goroutine完成
    wg.Wait()
    fmt.Printin("count:", count)
}

每次運(yùn)行，都得到了不同的結(jié)果，所以是不會(huì)得到期望的 1000000。

那么這是為什么？

其實(shí)，因?yàn)?count++ 不是一個(gè)原子操作，就可能有并發(fā)的問(wèn)題。

上述是并發(fā)訪問(wèn)共享數(shù)據(jù)的常見(jiàn)錯(cuò)誤，10 個(gè) goroutine 同時(shí)讀取到 count 的值為 9867，對(duì)值加 1，值變成 啦9868，然后把這個(gè)值覆蓋到 count，但是實(shí)際上此時(shí)我們?cè)黾拥目倲?shù)應(yīng)該是 10 才對(duì)，這里卻只增加了 1，好多計(jì)數(shù)都被“吞”掉了。

3、race detector

很多時(shí)候，并發(fā)問(wèn)題隱藏得非常深，即使是有經(jīng)驗(yàn)的人，也不太容易發(fā)現(xiàn)或者 Debug 出來(lái)。

Go race detector ， 一個(gè)檢測(cè)并發(fā)訪問(wèn)共享資源是否有問(wèn)題的工具，它可以幫助我們自動(dòng)發(fā)現(xiàn)程序有沒(méi)有 data race 的問(wèn)題。是基于 Google 的 C/C++ sanitizers 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，能夠監(jiān)測(cè)出內(nèi)存地址的訪問(wèn)，當(dāng)代碼運(yùn)行時(shí)，race detector 可以很好的監(jiān)控到共享變量的非同步訪問(wèn)，出現(xiàn) race 的時(shí)候，能夠輸出警告的信息。

怎么用的呢？

在編譯、測(cè)試、運(yùn)行 Go 代碼的時(shí)候，加上 race 參數(shù)，就有可能發(fā)現(xiàn)并發(fā)問(wèn)題。比如在上面的例子中，我們可以加上 race 參數(shù)運(yùn)行，檢測(cè)一下是不是有并發(fā)問(wèn)題。

go run -race main.go 就會(huì)輸出警告信息。

圖中會(huì)提示有并發(fā)問(wèn)題，會(huì)提示哪一個(gè) goroutine 在某一行對(duì)變量有寫(xiě)操作，同時(shí)也會(huì)提示哪個(gè) goroutine 在某一行對(duì)變量有讀操作，這就是并發(fā)操作時(shí)引起了 data race。

既然存在 data race 問(wèn)題，我們?cè)趺慈ソ鉀Q呢？接下來(lái)就講下 Mutex，它可以輕松地消除掉 data race。

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
)
    
func main() {
    var count = 0
    
    // 互斥鎖保護(hù)計(jì)數(shù)器
    var mu sync.Mutex
    // 輔助變量，用來(lái)確認(rèn)所有的goroutine都完成
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(10)
    // 啟動(dòng)10個(gè)gourontine
    for i := 0;i< 10;i+++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            for j := 0; j< 100000; j++ {
                mu.Lock()
                count++
                mu.Unlock()
            }
        }()
    }
    // 等待 10個(gè) goroutine完成
    wg.Wait()
    fmt.Printin("count:", count)
}

運(yùn)行一下 go run -race main.go

你會(huì)發(fā)現(xiàn)輸出了期望值 1000000，data race 告警也沒(méi)有啦。

怎么樣，是不是很驚喜，使用 Mutex 是不是非常高效？

我們?cè)谌粘Ｊ褂弥校琈utex 會(huì)嵌入到其它 struct 中使用。

type Counter struct{
    sync.Mutex
    Count uint64
}


func main() {
    var counter Counter
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(10)
    for i := 0;i< 10;i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            for j := 0; j < 100000; j++ {
                counter.Lock()
                counter.Count++
                counter.Unlock()
            }
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println("count:", counter.Count)
}

當(dāng)嵌入的 struct 有多個(gè)字段，我們會(huì)把 Mutex 放在要控制的字段上面，然后使用空格把字段分隔開(kāi)來(lái)。這樣寫(xiě)的話(huà)，邏輯會(huì)更清晰，也更易于維護(hù)。

有時(shí)候，你還可以把獲取鎖、釋放鎖、計(jì)數(shù)加一的邏輯封裝成一個(gè)方法，對(duì)外不需要暴露鎖等邏輯。

//線程安全的計(jì)數(shù)器類(lèi)型
type Counter struct{
    CounterType int
    Name        string
    mu    sync.Mutex
    count uint64
}

func main() {
    // 封裝一個(gè)計(jì)數(shù)器
    var counter Counter
    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(10)
    // 啟動(dòng) 10 個(gè) goroutine
    for i := 0;i< 10;i++ {
        go func() {
            defer wg.Done( )
            // 執(zhí)行 10 萬(wàn)次累加
            for j := 0; j< 100000; j++ {
                // 受到鎖保護(hù)的方法
                counter.Incr()
            }
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.PrintIn(counter.Count())
}

// 加1的方法，內(nèi)部使用互斥鎖保護(hù)
func (c *Counter) Incr() {
    c.mu.Lock()
    c.count++
    c.mu.Unlock()
}
// 得到計(jì)數(shù)器的值，也需要鎖保護(hù)
func (c *Counter) Count() uint64 {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()
    return c.count
}

4、總結(jié)

本文介紹了并發(fā)問(wèn)題的背景知識(shí)、標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中 Mutex 的使用，通過(guò) Go race detector 工具發(fā)下并發(fā)場(chǎng)景下的問(wèn)題及解決方法。你肯定已經(jīng)了解了 Mutex 這個(gè)同步原語(yǔ)。

日常開(kāi)發(fā)中，在設(shè)計(jì)階段，我們就應(yīng)該需要考慮共享資源的并發(fā)問(wèn)題，當(dāng)然在初始階段有時(shí)候并不是很確定某個(gè)資源時(shí)否會(huì)唄共享，會(huì)隨著后續(xù)的迭代會(huì)顯現(xiàn)。雖遲但會(huì)到。當(dāng)你意識(shí)到這個(gè)問(wèn)題時(shí)，就需要通過(guò)互斥鎖來(lái)解決啦。

其實(shí) Docker issue 37583、35517、32826、30696等、kubernetes issue 72361、71617等，都是后來(lái)發(fā)現(xiàn)的 data race 而采用互斥鎖 Mutex 進(jìn)行修復(fù)的。

5、思考問(wèn)題

Q: 當(dāng) Mutex 已經(jīng)被一個(gè) goroutine 獲取了鎖，其它的 goroutine 們只能一直等待。當(dāng)這個(gè)鎖釋放后，等待中的 goroutine 中哪一個(gè)會(huì)優(yōu)先獲取 Mutex 呢？

到此這篇關(guān)于Go語(yǔ)言如何利用Mutex保障數(shù)據(jù)讀寫(xiě)正確的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Go語(yǔ)言Mutex保障數(shù)據(jù)讀寫(xiě)正確內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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