Go 同步与锁

这是我参与2022首次更文挑战的第7天，活动详情查看：2022首次更文挑战

基本原语

go提供的在并发计算中最基本的同步原语（相比channel更为原始），主要有

• sync.Mutex
• sync.RWMutex
• sync.WaitGroup
• sync.Once
• sync.Cond

Mutex

互斥锁

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32 // 等待队列
}

state不同位有不同的含义，表示当前互斥锁的状态，从高到低分别是

• mutexLocked：互斥锁的锁定状态
• mutexWoken：从正常模式被从唤醒
• mutexStarving：互斥锁进入饥饿模式
• waitersCount：当前互斥锁上面在等待的Goroutine数量

正常模式与饥饿模式

• 正常模式：等待者按照先进先出的顺序获得锁
• • 性能更好
  • 先进先出指的是Goroutine抢锁的顺序，而不是等待的顺序，旧的goroutine会被唤醒与新的goroutine竞争
  • • 没睡醒的肯定争不过刚来的
• 饥饿模式：goroutine超过1ms没有获取到锁，进入饥饿模式，防止被饿死
• • 变成队列的形式排队进行锁的获取

加锁和解锁

加锁：

• 使用CAS的方式（compare and swap）
• 使用自旋锁来检查当前锁是否可用
• • 自旋锁：goroutine反复检查锁变量是否可用，直到获取该锁，持有该锁直到完成操作
  • 自旋锁会持续占用CPU，避免Goroutine的切换，在多核下才有意义，否则自旋等锁没有人能够释放锁
  • 条件
  • • 正常模式
    • 多核
    • 自旋次数小于4
    • 存在一个正在运行的处理器P，且等待队列为空
  • 每次旋都会检查当前锁的状态
  • 尝试通过CAS更新锁
  • • 如果是正常模式，直接退出即可
    • 如果是在队列，出队
    • • 只有当前Goroutine，从饥饿模式退出

解锁：

• 直接减去加锁偏移量解锁就好了
• 解锁不成功的时候进入sync.Mutex.unlockSlow
• • 正常模式解完直接返回
  • 饥饿模式从队列唤醒等待者

RWMutex

mutex只要需要访问该资源都需要上锁，RWMutex不限制并发读，只是不允许并发写与读写，有着更高的性能

type RWMutex struct {
	w           Mutex // 复用锁能力
	writerSem   uint32 // 写等待
	readerSem   uint32 // 读等待
	readerCount int32 // 当前并发读数量
	readerWait  int32 // 写阻塞是
}

主要有四个函数，分别针对读、写的上锁与解锁操作

写锁

sync.RWMutex.Lock()上锁

• 使用w上锁阻塞后续其他写操作
• 获取当前读队列，并且将读队列置为负数
• • 不为零，并且无法阻塞其他读操作时
  • 当前写goroutine进入休眠，等待唤醒

sync.RWMutex.Unlock()解锁

• 将readcounter恢复为pending的reader数量，释放读锁，释放读routine
• 释放写锁

先读后写，保证读goroutine不会被饿死

读锁

sync.RWMutex.RLock()上锁

• 如果readerCounter为负数，说明当前有写Goroutine，当前读Goroutine进入休眠

sync.RWMutex.RUnlock()解锁

• 减少读队列
• • 如果读队列小于0，说明有写操作在进行
  • 减少等待队列
  • 尝试解锁写goroutine

WaiteGroup

等待一组Goroutine返回，常用于多Groutine的同步，盲猜使用了信号量

type WaitGroup struct {
	noCopy noCopy
	state1 [3]uint32 // 存储当前结构体的状态
}

• noCopy用于防止被拷贝（值复制），防止同步数量对不上
• • 在编译的时候会进行检查，如果用户进行了值拷贝，会报错

三个方法

Add():

• 更新内部的计数器
• 传入的可以是一个负值
• 计数器为负值的时候会报错
• 当计数器为0的时候会唤醒所有等待的Goroutine

Waite():

• 如果计数器为0，直接过
• 否则休眠Goroutine计数器+1，并且使得当前Goroutine休眠

Done():

• 实际上就是调用了Add()，传入-1

Once

能够保证内部的函数只执行了1次

type Once struct {
	done uint32
	m    Mutex
}

只唯一向外暴露了一个方法

Do()

接受参数为一个无参函数

• 判断一下是否执行过
• 没有执行过
• • 上锁
  • 执行无参函数
  • 标记为执行过

Cond

用于多个Goroutine等待一个条件再启动，条件广播

type Cond struct {
	noCopy  noCopy
	L       Locker // 保护内部notifyList字段
	notify  notifyList // goroutine链表
	checker copyChecker
}
type notifyList struct {
	wait uint32 // 正在等待的Goroutine索引
	notify uint32 // 已经被唤醒的Goroutine索引

	lock mutex
	head *sudog
	tail *sudog
}

Wait()

使当前Goroutine进入休眠

• 加入notify list
• 加入wait list的末端，并且使当前Goroutine陷入休眠

Signal()

使队列最前面的Goroutine被唤醒

Broadcast()

唤醒队列中所有的Goroutine