Go - sync.RWMutex

2021-05-15 本文已影响0人 kyo1992

设计目的

大多数读请求之间互不影响，在读多写少的场景下，可以分离读写操作，提高读写并发性能.

限制

只能读读并发, 读写, 写写操作不并发

RWMutex

RWMutex 在某一时刻只能由任意数量的 reader 持有，或者是只被单个的 writer 持有。

RWMutex 的方法总共有 5 个。

Lock/Unlock：写操作时调用的方法。如果锁已经被 reader 或者 writer 持有，那么，Lock 方法会一直阻塞，直到能获取到锁；Unlock 则是配对的释放锁的方法。
RLock/RUnlock：读操作时调用的方法。如果锁已经被 writer 持有的话，RLock 方法会一直阻塞，直到能获取到锁，否则就直接返回；而 RUnlock 是 reader 释放锁的方法。
RLocker：这个方法的作用是为读操作返回一个 Locker 接口的对象。它的 Lock 方法会调用 RWMutex 的 RLock 方法，它的 Unlock 方法会调用 RWMutex 的 RUnlock 方法。

RWMutex 的零值是未加锁的状态，所以，当你使用 RWMutex 的时候，无论是声明变量，还是嵌入到其它 struct 中，都不必显式地初始化。

使用场景

如果遇到可以明确区分 reader 和 writer goroutine 的场景，且有大量的并发读、少量的并发写，并且有强烈的性能需求，你就可以考虑使用读写锁 RWMutex 替换 Mutex。

实现原理

RWMutex 是基于 Mutex 实现的

readers-writers 问题一般有三类，基于对读和写操作的优先级，读写锁的设计和实现也分成三类。

Read-preferring：读优先的设计可以提供很高的并发性，但是，在竞争激烈的情况下可能会导致写饥饿。这是因为，如果有大量的读，这种设计会导致只有所有的读都释放了锁之后，写才可能获取到锁。
Write-preferring：写优先的设计意味着，如果已经有一个 writer 在等待请求锁的话，它会阻止新来的请求锁的 reader 获取到锁，所以优先保障 writer。当然，如果有一些 reader 已经请求了锁的话，新请求的 writer 也会等待已经存在的 reader 都释放锁之后才能获取。所以，写优先级设计中的优先权是针对新来的请求而言的。这种设计主要避免了 writer 的饥饿问题。
不指定优先级：这种设计比较简单，不区分 reader 和 writer 优先级，某些场景下这种不指定优先级的设计反而更有效，因为第一类优先级会导致写饥饿，第二类优先级可能会导致读饥饿，这种不指定优先级的访问不再区分读写，大家都是同一个优先级，解决了饥饿的问题。

Go 标准库中的 RWMutex 设计是 Write-preferring 方案。一个正在阻塞的 Lock 调用会排除新的 reader 请求到锁。

RWMutex 包含一个 Mutex，以及四个辅助字段 writerSem、readerSem、readerCount 和 readerWait：

type RWMutex struct {
  w           Mutex   // 互斥锁解决多个writer的竞争
  writerSem   uint32  // writer信号量
  readerSem   uint32  // reader信号量
  readerCount int32   // reader的数量
  readerWait  int32   // writer等待完成的reader的数量
}

const rwmutexMaxReaders = 1 << 30

字段 w：为 writer 的竞争锁而设计；
字段 readerCount：记录当前 reader 的数量（以及是否有 writer 竞争锁）；
readerWait：记录 writer 请求锁时需要等待 read 完成的 reader 的数量；
writerSem 和 readerSem：都是为了阻塞设计的信号量。
这里的常量 rwmutexMaxReaders，定义了最大的 reader 数量。

写锁加锁过程

尝试获取写锁,如果锁被占用,则本goroutine会进入自旋或者休眠.
判断当前执行读操作协程数量,如果不为0,先设置要等待的读操作数量,然后设置等待写等待读信号量进入休眠状态,等待所有读锁执行结束后释放信号量将当前协程唤醒.

写锁解锁过程

通过设置readCount成正数,释放读锁.
for循环释放所有因为获取读锁而陷入等待的Groutine.
释放写锁.

读锁加锁过程

直接对readCount进行+1原子操作,>0则代表没有goroutine获取写锁, 读锁获取成功.
如果<0则代表有goroutine获取写锁,等待读等待写信号量进入休眠状态,等待写锁执行结束后释放信号量.

读锁解锁过程

直接对readCount进行-1原子操作,如果>=0代表释放成功.
如果<0,代表有写操作在等待读锁释放,将readerWait数量-1,如果结果==0,则触发写等待读信号量唤醒尝试获取写锁的goroutine.

加锁解锁总结

获取写锁时会先阻塞写锁的获取,后阻塞读锁的获取,解锁时先释放读锁,唤醒等待的读操作,再释放写锁,这种策略能够保证读操作不会被连续的写操作『饿死』。