一文带你深入理解Golang中的RWMutex
作者:eleven26 时间:2024-02-08 11:31:30
在上一篇文章《深入理解 go Mutex》中, 我们已经对 go Mutex
的实现原理有了一个大致的了解,也知道了 Mutex
可以实现并发读写的安全。 今天,我们再来看看另外一种锁,RWMutex
,有时候,其实我们读数据的频率要远远高于写数据的频率, 而且不同协程应该可以同时读取的,这个时候,RWMutex
就派上用场了。
RWMutex
的实现原理和 Mutex
类似,只是在 Mutex
的基础上,区分了读锁和写锁:
读锁:只要没有写锁,就可以获取读锁,多个协程可以同时获取读锁(可以并行读)。
写锁:只能有一个协程获取写锁,其他协程想获取读锁或写锁都只能等待。
下面就让我们来深入了解一下 RWMutex
的基本使用和实现原理等内容。
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:
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G1
、G2
和G3
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G1
、G2
和G3
释放锁之后才能进入临界区。最后,因为
G5
和G6
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:
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G2
、G3
、G4
和G5
都在等待。G1
释放写锁之后,G2
和G3
可以同时获取读锁,进入临界区。然后G3
、G4
和G5
都在等待。G2
和G3
可以同时获取读锁,进入临界区。然后G4
和G5
都在等待。G2
和G3
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RLock
和RUnlock
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
。在
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 readerCount
和 readerWait
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。
·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
TryRLock
和 TryLock
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
}
写锁还是使用
Mutex
来实现。获取读锁和写锁的时候,如果获取不到都会阻塞等待,直到被唤醒。
获取写锁的时候,会将
readerCount
减去rwmutexMaxReaders
,这样就可以直到有写锁被占用。释放写锁的时候,会将readerCount
加上rwmutexMaxReaders
。获取写锁的时候,如果还有读操作未完成,那么这一次获取写锁只会等待这部分未完成的读操作完成。所有后续的操作只能等待这一次写锁释放。
来源:https://juejin.cn/post/7217436082144002105