深入Golang之Mutex

深入Golang之Mutex

基本使用方法

可以限制临界区只能同时由一个线程持有。

• 直接在流程结构中使用 lock、unlock
• 嵌入到结构中，然后通过结构体的 mutex 属性 调用 lock、unlock
• 嵌入到结构体中，但是是直接在需要锁定的资源方法中使用，让外界无需关注资源锁定

在进行资源锁定的过程中，很容易出现 data race，这时候我们可以使用 race detector ，融入到 持续集成 中，以减少代码的 Bug

看实现

初版互斥锁

设立持有锁的标识 flag 和 sema 信号量来控制互斥，实际上是利用 CAS 指令完成原子计算。

• 字段 key：是一个 flag，用来标识这个排外锁是否被某个 goroutine 所持有，如果 key 大于等于 1，说明这个排外锁已经被持有； key 不仅仅标识了锁是否被 goroutine 所持有，还记录了当前持有和等待获取锁
  的 goroutine 的数量
• 字段 sema：是个信号量变量，用来控制等待 goroutine 的阻塞休眠和唤醒。

Unlock 方法可以被任意的 goroutine 调用释放锁，即使是没持有这个互斥锁的 goroutine，也可以进行这个操作。这是因为，Mutex 本身并没有包含持有这把锁的 goroutine 的信息，所以，Unlock 也不会对此进行检查。Mutex 的这个设计一直保持至今。

由于上面这个原因，就有可能出现 if 判断中释放其他 goroutine，释放锁的 goroutine 不必是锁的持有者

func lockTest()
{
	lock()
	var count
	
	if count {
	    unlock()	
    }
	
	// 此处就可能出现 goroutine 释放其他的锁
	unlock()
}

四种常见使用错误

Lock/Unlock 不是成对出现的，漏写、意外删除

Copy已使用的 Mutex

type Counter struct { 
	sync.Mutex
	Count int
}
func main() { 
	var c Counter
	c.Lock()
	defer c.Unlock()
	c.Count++
	foo(c) // 复制锁
}
// 这里Counter的参数是通过复制的方式传入的
func foo(c Counter) { 
	c.Lock() 
	defer c.Unlock()
	fmt.Println("in foo")
}

为什么它不能被复制？

原因在于 Mutex 是一个有状态的对象，它的 state 字段记录这个锁的状态。如果你要复制一个已经加锁的 Mutex 给一个新的变量，那么新的刚初始化的变量居然被加锁了，这显然不符合预期

重入

• 可重入锁概念解释

当一个线程获取锁时，如果没有其他线程拥有这个锁，那么这个线程就成功获取了这个锁，之后，如果其他线程再去请求这个锁，就会处于阻塞状态。如果拥有这把锁的线程再请求这把锁的话，不会阻塞，而是成功返回，所以叫可重入锁。

• Mutex 不是可重入锁

想想也不奇怪，因为 Mutex 的实现中没有记录哪个 goroutine 拥有这把锁。理论上，任何 goroutine 都可以随意地 Unlock 这把锁，所以没办法计算重入条件

func foo(l sync.Locker) {
	fmt.Println("in foo")
	l.Lock()
	bar(l)
	l.Unlock()
}
// 这就是可重入锁
func bar(l sync.Locker) {
	l.Lock()
	fmt.Println("in bar")
	l.Unlock()
}
func main() {
	l := &sync.Mutex{}
	foo(l)
}

自己实现可重入锁

• 通过 goroutine id

// RecursiveMutex 包装一个Mutex,实现可重入
type RecursiveMutex struct {
	sync.Mutex
	owner     int64 // 当前持有锁的goroutine id
	recursion int32 // 这个goroutine 重入的次数
}

func (m *RecursiveMutex) Lock() {
	gid := goid.Get() // 如果当前持有锁的goroutine就是这次调用的goroutine,说明是重入
	if atomic.LoadInt64(&m.owner) == gid {
		m.recursion++
		return
	}
	m.Mutex.Lock() // 获得锁的goroutine第一次调用，记录下它的goroutine id,调用次数加1
	atomic.StoreInt64(&m.owner, gid)
	m.recursion = 1
}

func (m *RecursiveMutex) Unlock() {
	gid := goid.Get() // 非持有锁的goroutine尝试释放锁，错误的使用
	if atomic.LoadInt64(&m.owner) != gid {
		panic(fmt.Sprintf("wrong the owner(%d): %d!", m.owner, gid))
	} // 调用次数减1
	m.recursion--
	if m.recursion != 0 { // 如果这个goroutine还没有完全释放，则直接返回
		return
	} // 此goroutine最后一次调用，需要释放锁
	atomic.StoreInt64(&m.owner, -1)
	m.Mutex.Unlock()
}

有一点，要注意，尽管拥有者可以多次调用 Lock，但是也必须调用相同次数的 Unlock，这样才能把锁释放掉。这是一个合理的设计，可以保证 Lock 和 Unlock 一一对应。

• 方案二:token

这个与 goroutine id 差不多， goroutine id 既然没有暴露出来，说明设计方不希望使用这个，而这只是可重入锁的一个标识，我们可以自定义这个标识，由协程自己提供，在调用 lock 和 unlock 中，自己传入一个生成的 token 即可，逻辑是一样的

死锁

• 互斥: 排他性资源
• 环路等待: 形成环路
• 持有和等待: 持有还去和其他资源竞争
• 不可剥夺: 资源只能由持有它的 goroutine 释放

打破以上条件其中一个或者几个即可解除死锁

扩展 Mutex

• 实现 TryLock
• 获取等待者的数量等指标
• 使用 Mutex 实现一个线程安全的队列

读写锁的实现原理及避坑指南

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。
他是基于 Mutex 的。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，你就可以考虑使用读写锁 RWMutex 替换 Mutex。

读写锁的实现方式

• 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 的 3 个踩坑点

• 不可复制
• 重入导致死锁
• 释放未加锁的 RWMutex

我们知道，有活跃 reader 的时候，writer 会等待，如果我们在 reader 的读操作时调用 writer 的写操作（它会调用 Lock 方法），那么，这个 reader 和 writer 就会形成互相依赖的死锁状态。Reader 想等待 writer 完成后再释放锁，而 writer 需要这个 reader 释放锁之后，才能不阻塞地继续执行。这是一个读写锁常见的死锁场景。

第三种死锁的场景更加隐蔽。
当一个 writer 请求锁的时候，如果已经有一些活跃的 reader，它会等待这些活跃的 reader 完成，才有可能获取到锁，但是，如果之后活跃的 reader 再依赖新的 reader 的话，这些新的 reader 就会等待 writer 释放锁之后才能继续执行，这就形成了一个环形依赖： writer 依赖活跃的 reader -> 活跃的 reader 依赖新来的 reader -> 新来的 reader 依赖 writer。