【Go进阶—并发编程】RWMutex

标准库中的 RWMutex 是一个 reader/writer 互斥锁。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 的方法也很少,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。

如果你遇到可以明确区分 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,就可以考虑使用读写锁 RWMutex 替换 Mutex。

实现原理

读写锁设计方案

基于对读和写操作的优先级,读写锁的设计和实现可以分成三类:

  • 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。
  • 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。
  • 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。

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。

数据结构

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 的竞争而使用的互斥锁;
  • 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。
  • 常量 rwmutexMaxReaders:定义了最大的 reader 数量。

RLock/RUnlock

我们看一下精简后的 RLock 和 RUnlock 方法:

func (rw *RWMutex) RLock() {
    if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
        // rw.readerCount 是负值的时候,意味着此时有 writer 等待请求锁,因为 writer 优先级高,所以把后来的 reader 阻塞休眠
        runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false, 0)
    }
}

func (rw *RWMutex) RUnlock() {
    if r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -1); r < 0 {
        rw.rUnlockSlow(r) // 有等待的 writer
    }
}

func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
    if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {
        // 最后一个 reader 了,writer 终于有机会获得锁了
        runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)
    }
}

第 2 行是对 reader 计数加 1。你可能比较困惑的是,readerCount 怎么还可能为负数呢?其实,这是因为 readerCount 这个字段有双重含义:

  • 没有 writer 竞争或持有锁时,readerCount 和我们正常理解的 reader 的计数是一样的;
  • 但是,如果有 writer 竞争锁或者持有锁时,那么,readerCount 不仅仅承担着 reader 的计数功能,还能够标识当前是否有 writer 竞争或持有锁,在这种情况下,请求锁的 reader 的处理进入第 4 行,阻塞等待锁的释放。

调用 RUnlock 的时候,我们需要将 Reader 的计数减去 1(第 9 行),因为 reader 的数量减少了一个。但是,第 9 行的 AddInt32 的返回值还有另外一个含义。如果它是负值,就表示当前有 writer 竞争锁,在这种情况下,还会调用 rUnlockSlow 方法,检查是不是 reader 都释放读锁了,如果读锁都释放了,那么可以唤醒请求写锁的 writer 了。

rUnlockSlow 将持有锁的 reader 计数减少 1 的时候,会检查既有的 reader 是不是都已经释放了锁,如果都释放了锁,就会唤醒 writer,让 writer 持有锁。

Lock

RWMutex 是一个多 writer 多 reader 的读写锁,所以同时可能有多个 writer 和 reader。那么,为了避免 writer 之间的竞争,RWMutex 就会使用一个 Mutex 来保证 writer 的互斥。

一旦一个 writer 获得了内部的互斥锁,就会反转 readerCount 字段,把它从原来的正整数 readerCount(>=0) 修改为负数(readerCount-rwmutexMaxReaders),让这个字段保持两个含义(既保存了 reader 的数量,又表示当前有 writer)。

我们来看下下面的代码。第 5 行,还会记录当前活跃的 reader 数量,所谓活跃的 reader,就是指持有读锁还没有释放的那些 reader。

func (rw *RWMutex) Lock() {
    // 首先解决其他 writer 竞争问题
    rw.w.Lock()
    // 反转 readerCount,告诉 reader 有 writer 竞争锁
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
    // 如果当前有 reader 持有锁,那么需要等待
    if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {
        runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false, 0)
    }
}

如果 readerCount 不是 0,就说明当前有持有读锁的 reader,RWMutex 需要把这个当前 readerCount 赋值给 readerWait 字段保存下来(第 7 行), 同时,这个 writer 进入阻塞等待状态(第 8 行)。

每当一个 reader 释放读锁的时候(调用 RUnlock 方法时),readerWait 字段就减 1,直到所有的活跃的 reader 都释放了读锁,才会唤醒这个 writer。

Unlock

当一个 writer 释放锁的时候,它会再次反转 readerCount 字段。可以肯定的是,因为当前锁由 writer 持有,所以,readerCount 字段是反转过的,并且减去了 rwmutexMaxReaders 这个常数,变成了负数。所以,这里的反转方法就是给它增加 rwmutexMaxReaders 这个常数值。

既然 writer 要释放锁了,那么就需要唤醒之后新来的 reader,不必再阻塞它们了,让它们继续执行就好了。

在 RWMutex 的 Unlock 返回之前,需要把内部的互斥锁释放。释放完毕后,其他的 writer 才可以继续竞争这把锁。

func (rw *RWMutex) Unlock() {
    // 告诉 reader 没有活跃的 writer 了
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)
    
    // 唤醒阻塞的 reader 们
    for i := 0; i < int(r); i++ {
        runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)
    }
    // 释放内部的互斥锁
    rw.w.Unlock()
}

你可能感兴趣的:(golang)