前言

Go 語(yǔ)言以 高并發(fā) 著稱(chēng)，其并發(fā)操作是重要特性之一。雖然并發(fā)可以提高程序性能和效率，但同時(shí)也可能帶來(lái) 競(jìng)態(tài)條件 和 死鎖 等問(wèn)題。為了避免這些問(wèn)題，Go 提供了許多 并發(fā)原語(yǔ)，例如 Mutex、RWMutex、WaitGroup、Channel 等，用于實(shí)現(xiàn)同步、協(xié)調(diào)和通信等操作。

本文將著重介紹 Go 的 Mutex 并發(fā)原語(yǔ)，它是一種鎖類(lèi)型，用于實(shí)現(xiàn)共享資源互斥訪問(wèn)。

說(shuō)明：本文使用的代碼基于的 Go 版本：1.20.1

Mutex

基本概念

Mutex 是 Go 語(yǔ)言中互斥鎖的實(shí)現(xiàn)，它是一種同步機(jī)制，用于控制多個(gè) goroutine 之間的并發(fā)訪問(wèn)。當(dāng)多個(gè) goroutine 嘗試同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)共享資源時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和其他并發(fā)問(wèn)題，因此需要使用互斥鎖來(lái)協(xié)調(diào)它們之間的訪問(wèn)。

在上述圖片中，我們可以將綠色部分看作是臨界區(qū)。當(dāng) g1 協(xié)程通過(guò) mutex 對(duì)臨界區(qū)進(jìn)行加鎖后，臨界區(qū)將會(huì)被鎖定。此時(shí)如果 g2 想要訪問(wèn)臨界區(qū)，就會(huì)失敗并進(jìn)入阻塞狀態(tài)，直到鎖被釋放，g2 才能拿到臨界區(qū)的訪問(wèn)權(quán)。

結(jié)構(gòu)體介紹

type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

字段：

state

state 是一個(gè) int32 類(lèi)型的變量，它存儲(chǔ)著 Mutex 的各種狀態(tài)信息（未加鎖、被加鎖、喚醒狀態(tài)、饑餓狀態(tài)），不同狀態(tài)通過(guò)位運(yùn)算進(jìn)行計(jì)算。

sema

sema 是一個(gè)信號(hào)量，用于實(shí)現(xiàn) Mutex 的等待和喚醒機(jī)制。

方法：

Lock()

Lock() 方法用于獲取 Mutex 的鎖，如果 Mutex 已經(jīng)被其他的 goroutine 鎖定，則 Lock() 方法會(huì)一直阻塞，直到該 goroutine 獲取到鎖為止。

UnLock()

Unlock() 方法用于釋放 Mutex 的鎖，將 Mutex 的狀態(tài)設(shè)置為未鎖定的狀態(tài)。

TryLock()

Go 1.18 版本以后，sync.Mutex 新增一個(gè) TryLock() 方法，該方法為非阻塞式的加鎖操作，如果加鎖成功，返回 true，否則返回 false。

雖然 TryLock() 的用法確實(shí)存在，但由于其使用場(chǎng)景相對(duì)較少，因此在使用時(shí)應(yīng)該格外謹(jǐn)慎。TryLock() 方法注釋如下所示：

// Note that while correct uses of TryLock do exist, they are rare,
// and use of TryLock is often a sign of a deeper problem
// in a particular use of mutexes.

代碼示例

我們先來(lái)看一個(gè)有并發(fā)安全問(wèn)題的例子

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

var cnt int

func main() {
   var wg sync.WaitGroup
   for i := 0; i < 10; i++ {
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         for j := 0; j < 10000; j++ {
            cnt++
         }
      }()
   }
   wg.Wait()
   fmt.Println(cnt)
}

在這個(gè)例子中，預(yù)期的 cnt 結(jié)果為 10 * 10000 = 100000。但是由于多個(gè) goroutine 并發(fā)訪問(wèn)了共享變量 cnt，并且沒(méi)有進(jìn)行任何同步操作，可能導(dǎo)致讀寫(xiě)沖突（race condition），從而影響 cnt 的值和輸出結(jié)果的正確性。這種情況下，不能確定最終輸出的 cnt 值是多少，每次執(zhí)行程序得到的結(jié)果可能不同。

在這種情況下，可以使用互斥鎖（sync.Mutex）來(lái)保護(hù)共享變量的訪問(wèn)，保證只有一個(gè) goroutine 能夠同時(shí)訪問(wèn) cnt，從而避免競(jìng)態(tài)條件的問(wèn)題。修改后的代碼如下：

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

var cnt int
var mu sync.Mutex

func main() {
   var wg sync.WaitGroup
   for i := 0; i < 10; i++ {
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         for j := 0; j < 10000; j++ {
            mu.Lock()
            cnt++
            mu.Unlock()
         }
      }()
   }
   wg.Wait()
   fmt.Println(cnt)
}

在這個(gè)修改后的版本中，使用互斥鎖來(lái)保護(hù)共享變量 cnt 的訪問(wèn)，可以避免出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件的問(wèn)題。具體而言，在 cnt++ 操作前，先執(zhí)行 Lock() 方法，以確保當(dāng)前 goroutine 獲取到了互斥鎖并且獨(dú)占了共享變量的訪問(wèn)權(quán)。在 cnt++ 操作完成后，再執(zhí)行 Unlock() 方法來(lái)釋放互斥鎖，從而允許其他 goroutine 獲取互斥鎖并訪問(wèn)共享變量。這樣，只有一個(gè) goroutine 能夠同時(shí)訪問(wèn) cnt，從而確保了最終輸出結(jié)果的正確性。

易錯(cuò)場(chǎng)景

忘記解鎖

如果使用 Lock() 方法之后，沒(méi)有調(diào)用 Unlock() 解鎖，會(huì)導(dǎo)致其他 goroutine 被永久阻塞。例如：

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
   "time"
)

var mu sync.Mutex
var cnt int

func main() {
   go increase(1)
   go increase(2)

   time.Sleep(time.Second)
   fmt.Println(cnt)
}

func increase(delta int) {
   mu.Lock()
   cnt += delta
}

在上述代碼中，通常情況下，cnt 的結(jié)果應(yīng)該為 3。然而沒(méi)有解鎖操作，其中一個(gè) goroutine 被阻塞，導(dǎo)致沒(méi)有達(dá)到預(yù)期效果，最終輸出的 cnt 可能只能為 1 或 2。

正確的做法是使用 defer 語(yǔ)句在函數(shù)返回前釋放鎖。

func increase(delta int) {
   mu.Lock()
   defer mu.Unlock() // 通過(guò) defer 語(yǔ)句在函數(shù)返回前釋放鎖
   cnt += delta
}

重復(fù)加鎖

重復(fù)加鎖操作被稱(chēng)為可重入操作。不同于其他一些編程語(yǔ)言的鎖實(shí)現(xiàn)（例如 Java 的 ReentrantLock），Go 的 mutex 并不支持可重入操作，如果發(fā)生了重復(fù)加鎖操作，就會(huì)導(dǎo)致死鎖。例如：

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
   "time"
)

var mu sync.Mutex
var cnt int

func main() {
   go increase(1)
   go increase(2)

   time.Sleep(time.Second)
   fmt.Println(cnt)
}

func increase(delta int) {
   mu.Lock()
   mu.Lock()
   cnt += delta
   mu.Unlock()
}

在這個(gè)例子中，如果在 increase 函數(shù)中重復(fù)加鎖，將會(huì)導(dǎo)致 mu 鎖被第二次鎖住，而其他 goroutine 將被永久阻塞，從而導(dǎo)致程序死鎖。正確的做法是只對(duì)需要加鎖的代碼段進(jìn)行加鎖，避免重復(fù)加鎖。

基于 Mutex 實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的線程安全的緩存

import "sync"

type Cache struct {
   data map[string]any
   mu   sync.Mutex
}

func (c *Cache) Get(key string) (any, bool) {
   c.mu.Lock()
   defer c.mu.Unlock()
   value, ok := c.data[key]
   return value, ok
}

func (c *Cache) Set(key string, value any) {
   c.mu.Lock()
   defer c.mu.Unlock()
   c.data[key] = value
}

上述代碼實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)單的線程安全的緩存。使用 Mutex 可以保證同一時(shí)刻只有一個(gè) goroutine 進(jìn)行讀寫(xiě)操作，避免多個(gè) goroutine 并發(fā)讀寫(xiě)同一數(shù)據(jù)時(shí)產(chǎn)生數(shù)據(jù)不一致性的問(wèn)題。

對(duì)于緩存場(chǎng)景，讀操作比寫(xiě)操作更頻繁，因此使用 RWMutex 代替 Mutex 會(huì)更好，因?yàn)?RWMutex 允許多個(gè) goroutine 同時(shí)進(jìn)行讀操作，只有在寫(xiě)操作時(shí)才會(huì)進(jìn)行互斥鎖定，從而減少了鎖的競(jìng)爭(zhēng)，提高了程序的并發(fā)性能。后續(xù)文章會(huì)對(duì) RWMutex 進(jìn)行介紹。

小結(jié)

本文主要介紹了 Go 語(yǔ)言中互斥鎖 Mutex 的概念、對(duì)應(yīng)的字段和方法、基本使用和易錯(cuò)場(chǎng)景，最后基于 Mutex 實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的線程安全的緩存。

Mutex 是保證共享資源數(shù)據(jù)一致性的重要手段，但使用不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致性能下降或死鎖等問(wèn)題。因此，在使用 Mutex 時(shí)需要仔細(xì)考慮代碼的設(shè)計(jì)和并發(fā)場(chǎng)景，發(fā)揮 Mutex 的最大作用。

到此這篇關(guān)于詳解Golang中的Mutex并發(fā)原語(yǔ)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Golang Mutex并發(fā)原語(yǔ)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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