Go RWMutex：高并发读多写少场景下的性能优化利器
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作者：陈明勇
公众号：Go技术干货
前言
在这篇文章 Go Mutex：保护并发访问共享资源的利器 中，主要介绍了 Go 语言中互斥锁 Mutex 的概念、对应的字段与方法、基本使用和易错场景，最后基于 Mutex 实现一个简单的协程安全的缓存。而本文，我们来看看另一个更高效的 Go 并发原语，RWMutex。
准备好了吗？喝一杯你最喜欢的饮料，随着文章一起进入 RWMutex 令人兴奋的世界！
说明：本文使用的代码基于的 Go 版本：1.20.1
RWMutex
读写互斥锁是一种同步原语，它允许多个协程同时访问共享资源，同时确保一次只有一个协程可以修改资源。相较于互斥锁，读写互斥锁在读操作比写操作更频繁的情况下，可以带来更好的性能表现。
在 Go 语言中，RWMutex 是一种读写互斥锁的实现，它提供了一种简单有效的方式来管理对共享资源的并发访问。它提供了两种类型的锁：读锁 和 写锁。
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1、读锁（
RLock()、TryRLock()和RUnlock()方法）RWMutex的读锁是一种共享锁，当一个协程获取了读锁后，其他协程也可以同时获取读锁，从而允许并发的读操作。 -
2、写锁（
Lock()、TryLock()和Unlock()方法）RWMutex的写锁是一种独占锁，当一个协程获取了写锁后，其他协程无法获取读锁或写锁，直到该协程释放写锁。在写锁未被释放之前，任何想要获取读锁或写锁的goroutine都会被阻塞。
RWMutex 结构体介绍
type RWMutex struct {
w Mutex
writerSem uint32 // 写操作等待者
readerSem uint32 // 读操作等待者
readerCount atomic.Int32 // 持有读锁的 goroutine 数量
readerWait atomic.Int32 // 请求写锁时，需要等待完成的读锁数量
}
RWMutex 由以下字段组成：
w: 为互斥锁，用于实现写操作之间的互斥。writerSem：写操作的信号量。当有goroutine请求写操作时，如果有其他的goroutine正在执行读操作，则请求写操作的goroutine将会被阻塞，直到所有的读操作完成后，通过writerSem信号量解除阻塞。readerSem：读操作的信号量。当有goroutine请求读操作时，如果此时存在写操作，则请求读操作的goroutine将会被阻塞，直到写操作执行完成后，通过readerSem信号量解除阻塞并继续执行。readerCount：读操作的goroutine数量，当readerCount为正数时，表示有一个或多个读操作正在执行，如果readerCount的值为负数，说明有写操作正在等待。readerWait：写操作的goroutine等待读操作完成的数量。当一个写操作请求执行时，如果此时有一个或多个读操作正在执行，则会将读操作的数量记录到readerWait中，并阻塞写操作所在的goroutine。写操作所在的goroutine会一直阻塞，直到正在执行的所有读操作完成，此时readerWait的值将被更新为0，并且写操作所在的goroutine将被唤醒。
RWMutex 常用方法：
Lock()：获取写锁，拥有写操作的权限；如果读操作正在执行，此方法将会阻塞，直到所有的读操作执行结束。Unlock()：释放写锁,并唤醒其他请求读锁的goroutine。TryLock()：尝试获取写锁，如果获取成功，返回true，否则返回false，不存在阻塞的情况。RLock()：获取读锁，读锁是共享锁，可以被多个goroutine获取，但是如果有写操作正在执行或等待执行时，此方法将会阻塞，直到写操作执行结束。RUnlock()：释放读锁，如果所有读操作都结束并且有等待执行的写操作，则会唤醒对应的goroutine。TryRlock()：尝试获取读锁，如果获取成功，返回true，否则返回false，不存在阻塞的情况。
简单读写场景示例
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
type Counter struct {
value int
rwMutex sync.RWMutex
}
func (c *Counter) GetValue() int {
c.rwMutex.RLock()
defer c.rwMutex.RUnlock()
return c.value
}
func (c *Counter) Increment() {
c.rwMutex.Lock()
defer c.rwMutex.Unlock()
c.value++
}
func main() {
counter := Counter{value: 0}
// 读操作
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
for {
fmt.Println("Value: ", counter.GetValue())
time.Sleep(time.Millisecond)
}
}()
}
// 写操作
for {
counter.Increment()
time.Sleep(time.Second)
}
}
上述代码示例中定义了一个 Counter 结构体，包含一个 value 字段和一个 sync.RWMutex 实例 rwMutex。该结构体还实现了两个方法：GetValue() 和 Increment()，分别用于读取 value 字段的值和对 value 字段的值加一。这两个方法在访问 value 字段时，使用了读写锁来保证并发安全。
在 main() 函数中，首先创建了一个 Counter 实例 counter，然后启动了 10 个协程，每个协程会不断读取 counter 并打印到控制台上。同时，main() 函数也会不断对 counter 的 value 值加 1，每次加 1 的操作都会休眠 1 秒钟。由于使用了读写锁，多个读操作可以同时进行，而写操作则会互斥进行，保证了并发安全。
基于 RWMutex 实现一个简单的协程安全的缓存
在 Go Mutex：保护并发访问共享资源的利器 文章中，使用了 Mutex 实现了一个简单的线程安全的缓存，但并不是最优的设计，对于缓存场景，读操作比写操作更频繁，因此使用 RWMutex 代替 Mutex 会更好。
import "sync"
type Cache struct {
data map[string]any
rwMutex sync.RWMutex
}
func NewCache() *Cache {
return &Cache{
data: make(map[string]any),
}
}
func (c *Cache) Get(key string) (any, bool) {
c.rwMutex.RLock()
defer c.rwMutex.RUnlock()
value, ok := c.data[key]
return value, ok
}
func (c *Cache) Set(key string, value any) {
c.rwMutex.Lock()
defer c.rwMutex.Unlock()
c.data[key] = value
}
上述代码实现了一个协程安全的缓存，通过使用 RWMutex 的读写锁，保证了 Get() 方法可以被多个 goroutine 并发地执行，而且只有在读操作和写操作同时存在时才会进行互斥锁定，有效地提高了并发性能。
RWMutex 易错场景
没有正确的加锁和解锁
为了正确使用读写锁，必须正确使用锁的方法。对于读操作，必须成对使用 RLock() 和 RUnlock() 方法，否则可能会导致程序 panic 或阻塞。
例如：如果缺少 RLock()，直接使用 RUnlock()方法，程序将会 panic，如果缺少 RUnlock() 方法，将会发生阻塞的形象。
同样，对于写操作，必须成对使用 Lock() 和 Unlock() 方法。
最佳实践是使用 defer 来释放锁：为了保证锁总是被释放，即使在运行时错误或提前返回的情况下，也可以在获得锁后立即使用 defer 关键字来调度相应的解锁方法。
rwMutex.RLock()
defer rwMutex.RUnlock()
// 读操作
rwMutex.Lock()
defer rwMutex.Unlock()
// 写操作
重复加锁
重复加锁操作被称为可重入操作。不同于其他一些编程语言的锁实现（例如 Java 的 ReentrantLock），Go 的 mutex 并不支持可重入操作。
由于 RWMutex 内部是基于 Mutex 实现的写操作互斥，如果发生了重复加锁操作，就会导致死锁。这个易错场景在上篇文章中也提到了，还给出了代码示例，感兴趣的小伙伴可以去看看。
读操作内嵌写操作
当有协程执行读操作时，请求执行写操作的协程会被阻塞。如果在读操作中嵌入写操作的代码，写操作将调用 Lock() 方法，从而导致读操作和写操作之间形成相互依赖关系。在这种情况下，读操作会等待写操作完成后才能执行 RUnlock()，而写操作则会等待读操作完成后才能被唤醒继续执行，从而导致死锁的状态。
小结
RWMutex 是 Go 中的一种读写锁实现，它通过读锁允许多个 goroutine 同时执行读操作，当有写操作请求时，必须等待所有读操作执行结束后才能执行写操作。
RWMutex 的设计采用了 Write-preferring 方案，即如果有写操作在等待执行，新来的读操作将会被阻塞，以避免写操作的饥饿问题。
根据 RWMutex 的特性，它适用于 读多写少的高并发场景，可以实现并发安全的读操作，从而减少在锁竞争中的等待时间。
虽然它能够给程序带来了性能的提升，然而，如果使用不当，就可能会导致 panic 或死锁等问题。因此，在使用 RWMutex 时需要特别小心，并避免错误的用法。