Go语言作为一种支持高效并发的编程语言，在处理并发任务时表现出色。在本文中，我们将重点介绍Go语言中的一种重要的同步机制——Mutex（互斥锁），以帮助您入门并理解如何正确地在并发代码中使用它。
0. 互斥锁及其实现机制
在并发编程中，互斥锁（Mutex）是一种重要的同步机制，用于保护共享资源，以避免多个线程或进程同时访问和修改造成的数据竞争和不一致性。互斥锁确保在同一时间只有一个线程可以进入临界区（访问共享资源），从而确保数据的正确性和一致性。
互斥锁有两个基本操作：锁定（Lock）和解锁（Unlock）。当一个线程想要访问共享资源时，它首先会尝试获取互斥锁。如果互斥锁当前没有被其他线程占用，该线程就会获得锁定，进入临界区执行操作；如果互斥锁已被其他线程占用，该线程就会被阻塞，直到锁被释放。
互斥锁就很好地解决了资源竞争问题，有人也把互斥锁叫做排它锁。那在 Go 标准库中，它提供了 Mutex 来实现互斥锁这个功能。
同步原语的适用场景：
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共享资源。当多个线程需要访问临界区（共享资源）时，互斥锁可以确保在同一时间只有一个线程进入临界区。
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任务编排。需要 goroutine 按照一定的规律执行，而 goroutine 之间有相互等待或者依赖的顺序关系，我们常常使用 WaitGroup 或者 Channel 来实现。
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消息传递。信息交流以及不同的 goroutine 之间的线程安全的数据交流，常常使用 Channel 来实现。
1. Mutex 的基本使用方法
在 Go 的标准库中，package sync 提供了锁相关的一系列同步原语，这个 package 还定义了一个 Locker 的接口，Mutex 就实现了这个接口。
Locker 的接口定义了锁同步原语的方法集：
type Locker interface {
Lock()
Unlock()
}
互斥锁 Mutex 只提供了两个方法 Lock 和 Unlock：进入临界区之前调用 Lock方法，退出临界区的时候调用 Unlock 方法：
func(m *Mutex)Lock()
func(m *Mutex)Unlock()
一旦一个 goroutine 通过调用 Lock 方法获取了锁的所有权，其他试图获取锁的 goroutine 将会在 Lock 方法调用处被阻塞，直到该锁被释放并且它自身获取到了锁的所有权。
并发访问场景中不使用锁的例子:
在这个例子中，我们创建了 10 个 goroutine，同时不断地对一个变量（count）进行加 1操作，每个 goroutine 负责执行 10 万次的加 1 操作，我们期望的最后计数的结果是 10 * 100000 = 1000000 (一百万)。
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
var count = 0
// 使用WaitGroup等待10个goroutine完成
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(10)
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
defer wg.Done()
// 对变量count执行10次加1
for j := 0; j < 100000; j++ {
count++
}
}()
}
// 等待10个goroutine完成
wg.Wait()
fmt.Println(count)
}
但是，每次运行，你都可能得到不同的结果，基本上不会得到理想中的一百万的结果。
这是为什么呢？
其实，这是因为，count++ 不是一个原子操作，它至少包含几个步骤，比如读取变量count 的当前值，对这个值加 1，把结果再保存到 count 中。因为不是原子操作，就可能有并发的问题。
// count++操作的汇编代码
MOVQ "".count(SB), AX
LEAQ 1(AX), CX
MOVQ CX, "".count(SB)
接下来，根据上面count的例子，我们来看看 Mutex 的基本用法。
1.临界区前后获取锁，释放锁
我们知道，这里的共享资源是 count 变量，临界区是 count++，只要在临界区前面获取锁，在离开临界区的时候释放锁，就能完美地解决 data race 的问题了。
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
// 互斥锁保护计数器
var mu sync.Mutex
// 计数器的值
var count = 0
// 辅助变量，用来确认所有的goroutine都完成
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(10)
// 启动10个gourontine
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
defer wg.Done()
// 累加10万次
for j := 0; j < 100000; j++ {
mu.Lock()
count++
mu.Unlock()
}
}()
}
wg.Wait()
fmt.Println(count)
}
如果你再运行一下程序，就会发现，data race 警告没有了，系统干脆地输出了1000000:
这里有一点需要注意：Mutex 的零值是还没有 goroutine 等待的未加锁的状态，所以你不需要额外的初始化，直接声明变量（如 var mu sync.Mutex）即可。
2.嵌入struct
那 Mutex 还有哪些用法呢？很多情况下，Mutex 会嵌入到其它 struct 中使用，比如下面的方式：
type Counter struct {
mu sync.Mutex
Count uint64
}
3.嵌入字段
有时候，我们还可以采用嵌入字段的方式。通过嵌入字段，你可以在这个 struct 上直接调用 Lock/Unlock 方法。
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
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(counter.Count)
}
如果嵌入的 struct 有多个字段，我们一般会把 Mutex 放在要控制的字段上面，然后使用空格把字段分隔开来。
4.锁相关封装成方法
甚至，你还可以把获取锁、释放锁、计数加一的逻辑封装成一个方法，对外不需要暴露锁等逻辑：
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
func main() {
// 封装好的计数器
var counter Counter
var wg sync.WaitGroup
wg.Add(10)
// 启动10个goroutine
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
defer wg.Done()
// 执行10万次累加
for j := 0; j < 100000; j++ {
counter.Incr() // 受到锁保护的方法
}
}()
}
wg.Wait()
fmt.Println(counter.Count())
}
// 线程安全的计数器类型
type Counter struct {
CounterType int
Name string
mu sync.Mutex
count uint64
}
// 加1的方法，内部使用互斥锁保护
func (c *Counter) Incr() {
c.mu.Lock()
c.count++
c.mu.Unlock()
}
// 得到计数器的值，也需要锁保护
func (c *Counter) Count() uint64 {
c.mu.Lock()
defer c.mu.Unlock()
return c.count
}
2. 四种易错场景
- Lock/Unlock 不是成对出现
- Copy已经使用的Mutex
- 重入
- 死锁
总结
本文介绍了互斥锁及其实现机制、标准库中 Mutex 的基本使用方法，以及Mutex的四种易错场景。需要强调的是，手误和重入导致的死锁，是最常见的使用 Mutex 的 Bug。请大家开发的时候一定要多多注意。
