在上一篇文章《深入理解 go Mutex》中， 我們已經(jīng)對(duì) go Mutex 的實(shí)現(xiàn)原理有了一個(gè)大致的了解，也知道了 Mutex 可以實(shí)現(xiàn)并發(fā)讀寫的安全。 今天，我們?cè)賮砜纯戳硗庖环N鎖，RWMutex，有時(shí)候，其實(shí)我們讀數(shù)據(jù)的頻率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于寫數(shù)據(jù)的頻率， 而且不同協(xié)程應(yīng)該可以同時(shí)讀取的，這個(gè)時(shí)候，RWMutex 就派上用場(chǎng)了。

RWMutex 的實(shí)現(xiàn)原理和 Mutex 類似，只是在 Mutex 的基礎(chǔ)上，區(qū)分了讀鎖和寫鎖：

• 讀鎖：只要沒有寫鎖，就可以獲取讀鎖，多個(gè)協(xié)程可以同時(shí)獲取讀鎖（可以并行讀）。
• 寫鎖：只能有一個(gè)協(xié)程獲取寫鎖，其他協(xié)程想獲取讀鎖或?qū)戞i都只能等待。

下面就讓我們來深入了解一下 RWMutex 的基本使用和實(shí)現(xiàn)原理等內(nèi)容。

RWMutex 的整體模型

正如 RWMutex 的命名那樣，它是區(qū)分了讀鎖和寫鎖的鎖，所以我們可以從讀和寫兩個(gè)方面來看 RWMutex 的模型。

下文中的 reader 指的是進(jìn)行讀操作的 goroutine，writer 指的是進(jìn)行寫操作的 goroutine。

讀操作模型

我們可以用下圖來表示 RWMutex 的讀操作模型：

上圖使用了 w.Lock，是因?yàn)?RWMutex 的實(shí)現(xiàn)中，寫鎖是使用 Mutex 來實(shí)現(xiàn)的。

說明：

• 讀操作的時(shí)候可以同時(shí)有多個(gè) goroutine 持有 RLock，然后進(jìn)入臨界區(qū)。（也就是可以并行讀），上圖的 G1、G2 和 G3 就是同時(shí)持有 RLock 的幾個(gè) goroutine。
• 在讀操作的時(shí)候，如果有 goroutine 持有 RLock，那么其他 goroutine （不管是讀還是寫）就只能等待，直到所有持有 RLock 的 goroutine 釋放鎖。
• 也就是上圖的 G4 需要等待 G1、G2 和 G3 釋放鎖之后才能進(jìn)入臨界區(qū)。
• 最后，因?yàn)?G5 和 G6 這兩個(gè)協(xié)程獲取鎖的時(shí)機(jī)比 G4 晚，所以它們會(huì)在 G4 釋放鎖之后才能進(jìn)入臨界區(qū)。

寫操作模型

我們可以用下圖來表示 RWMutex 的寫操作模型：

說明：

寫操作的時(shí)候只能有一個(gè) goroutine 持有 Lock，然后進(jìn)入臨界區(qū)，釋放寫鎖之前，所有其他的 goroutine 都只能等待。

上圖的 G1~G5 表示的是按時(shí)間順序先后獲取鎖的幾個(gè) goroutine。

上面幾個(gè) goroutine 獲取鎖的過程是：

• G1 獲取寫鎖，進(jìn)入臨界區(qū)。然后 G2、G3、G4 和 G5 都在等待。
• G1 釋放寫鎖之后，G2 和 G3 可以同時(shí)獲取讀鎖，進(jìn)入臨界區(qū)。然后 G3、G4 和 G5 都在等待。
• G2 和 G3 可以同時(shí)獲取讀鎖，進(jìn)入臨界區(qū)。然后 G4 和 G5 都在等待。
• G2 和 G3 釋放讀鎖之后，G4 獲取寫鎖，進(jìn)入臨界區(qū)。然后 G5 在等待。
• 最后，G4 釋放寫鎖，G5 獲取讀鎖，進(jìn)入臨界區(qū)。

基本用法

RWMutex 中包含了以下的方法：

• Lock：獲取寫鎖，如果有其他 goroutine 持有讀鎖或?qū)戞i，那么就會(huì)阻塞等待。
• Unlock：釋放寫鎖。
• RLock：獲取讀鎖，如果有其他 goroutine 持有寫鎖，那么就會(huì)阻塞等待。
• RUnlock：釋放讀鎖。

其他不常用的方法：

• RLocker：返回一個(gè)讀鎖，該鎖包含了 RLock 和 RUnlock 方法，可以用來獲取讀鎖和釋放讀鎖。
• TryLock: 嘗試獲取寫鎖，如果獲取成功，返回 true，否則返回 false。不會(huì)阻塞等待。
• TryRLock: 嘗試獲取讀鎖，如果獲取成功，返回 true，否則返回 false。不會(huì)阻塞等待。

一個(gè)簡(jiǎn)單的例子

我們可以通過下面的例子來看一下 RWMutex 的基本用法：

package mutex

import (
   "sync"
   "testing"
)

var config map[string]string
var mu sync.RWMutex

func TestRWMutex(t *testing.T) {
   config = make(map[string]string)

   // 啟動(dòng) 10 個(gè) goroutine 來寫
   var wg1 sync.WaitGroup
   wg1.Add(10)
   for i := 0; i < 10; i++ {
      go func() {
         set("foo", "bar")
         wg1.Done()
      }()
   }

   // 啟動(dòng) 100 個(gè) goroutine 來讀
   var wg2 sync.WaitGroup
   wg2.Add(100)
   for i := 0; i < 100; i++ {
      go func() {
         get("foo")
         wg2.Done()
      }()
   }

   wg1.Wait()
   wg2.Wait()
}

// 獲取配置
func get(key string) string {
   // 獲取讀鎖，可以多個(gè) goroutine 并發(fā)讀取
   mu.RLock()
   defer mu.RUnlock()

   if v, ok := config[key]; ok {
      return v
   }

   return ""
}

// 設(shè)置配置
func set(key, val string) {
   // 獲取寫鎖
   mu.Lock()
   defer mu.Unlock()

   config[key] = val
}

上面的例子中，我們啟動(dòng)了 10 個(gè) goroutine 來寫配置，啟動(dòng)了 100 個(gè) goroutine 來讀配置。 這跟我們現(xiàn)實(shí)開發(fā)中的場(chǎng)景是一樣的，很多時(shí)候其實(shí)是讀多寫少的。 如果我們?cè)谧x的時(shí)候也使用互斥鎖，那么就會(huì)導(dǎo)致讀的性能非常差，因?yàn)樽x操作一般都不會(huì)有副作用的，但是如果使用互斥鎖，那么就只能一個(gè)一個(gè)的讀了。

而如果我們使用 RWMutex，那么就可以同時(shí)有多個(gè) goroutine 來讀取配置，這樣就可以大大提高讀的性能。 因?yàn)槲覀冞M(jìn)行讀操作的時(shí)候，可以多個(gè) goroutine 并發(fā)讀取，這樣就可以大大提高讀的性能。

RWMutex 使用的注意事項(xiàng)

在《深入理解 go Mutex》中，我們已經(jīng)講過了 Mutex 的使用注意事項(xiàng)， 其實(shí) RWMutex 的使用注意事項(xiàng)也是差不多的：

• 不要忘記釋放鎖，不管是讀鎖還是寫鎖。
• Lock 之后，沒有釋放鎖之前，不能再次使用 Lock。
• 在 Unlock 之前，必須已經(jīng)調(diào)用了 Lock，否則會(huì) panic
• 在第一次使用 RWMutex 之后，不能復(fù)制，因?yàn)檫@樣一來 RWMutex 的狀態(tài)也會(huì)被復(fù)制。這個(gè)可以使用 go vet 來檢查。

源碼剖析

RWMutex 的一些實(shí)現(xiàn)原理跟 Mutex 是一樣的，比如阻塞的時(shí)候使用信號(hào)量等，在 Mutex 那一篇中已經(jīng)有講解了，這里不再贅述。 這里就 RWMutex 的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的剖析。

RWMutex 結(jié)構(gòu)體

RWMutex 的結(jié)構(gòu)體定義如下：

type RWMutex struct {
   w           Mutex        // 互斥鎖，用于保護(hù)讀寫鎖的狀態(tài)
   writerSem   uint32       // writer 信號(hào)量
   readerSem   uint32       // reader 信號(hào)量
   readerCount atomic.Int32 // 所有 reader 數(shù)量
   readerWait  atomic.Int32 // writer 等待完成的 reader 數(shù)量
}

各字段含義：

• w：互斥鎖，用于保護(hù)讀寫鎖的狀態(tài)。RWMutex 的寫鎖是互斥鎖，所以直接使用 Mutex 就可以了。
• writerSem：writer 信號(hào)量，用于實(shí)現(xiàn)寫鎖的阻塞等待。
• readerSem：reader 信號(hào)量，用于實(shí)現(xiàn)讀鎖的阻塞等待。
• readerCount：所有 reader 數(shù)量（包括已經(jīng)獲取讀鎖的和正在等待獲取讀鎖的 reader）。
• readerWait：writer 等待完成的 reader 數(shù)量（也就是獲取寫鎖的時(shí)刻，已經(jīng)獲取到讀鎖的 reader 數(shù)量）。

因?yàn)橐獏^(qū)分讀鎖和寫鎖，所以在 RWMutex 中，我們需要兩個(gè)信號(hào)量，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)寫鎖的阻塞等待，一個(gè)用于實(shí)現(xiàn)讀鎖的阻塞等待。 我們需要特別注意的是 readerCount 和 readerWait 這兩個(gè)字段，我們可能會(huì)比較好奇，為什么有了 readerCount 這個(gè)字段， 還需要 readerWait 這個(gè)字段呢？

這是因?yàn)?，我們?cè)趪L試獲取寫鎖的時(shí)候，可能會(huì)有多個(gè) reader 正在使用讀鎖，這時(shí)候我們需要知道有多少個(gè) reader 正在使用讀鎖， 等待這些 reader 釋放讀鎖之后，就獲取寫鎖了，而 readerWait 這個(gè)字段就是用來記錄這個(gè)數(shù)量的。 在 Lock 中獲取寫鎖的時(shí)候，如果觀測(cè)到 readerWait 不為 0 則會(huì)阻塞等待，直到 readerWait 為 0 之后才會(huì)真正獲取寫鎖，然后才可以進(jìn)行寫操作。

讀鎖源碼剖析

獲取讀鎖的方法如下：

// 獲取讀鎖
func (rw *RWMutex) RLock() {
   if rw.readerCount.Add(1) < 0 {
      // 有 writer 在使用鎖，阻塞等待 writer 完成
      runtime_SemacquireRWMutexR(&rw.readerSem, false, 0)
   }
}

讀鎖的實(shí)現(xiàn)很簡(jiǎn)單，先將 readerCount 加 1，如果加 1 之后的值小于 0，說明有 writer 正在使用鎖，那么就需要阻塞等待 writer 完成。

釋放讀鎖的方法如下：

// 釋放讀鎖
func (rw *RWMutex) RUnlock() {
   // readerCount 減 1，如果 readerCount 小于 0 說明有 writer 在等待
   if r := rw.readerCount.Add(-1); r < 0 {
      // 有 writer 在等待，喚醒 writer
      rw.rUnlockSlow(r)
   }
}

// 喚醒 writer
func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
   // 未 Lock 就 Unlock，panic
   if r+1 == 0 || r+1 == -rwmutexMaxReaders {
      fatal("sync: RUnlock of unlocked RWMutex")
   }
   // readerWait 減 1，返回值是新的 readerWait 值
   if rw.readerWait.Add(-1) == 0 {
      // 最后一個(gè) reader 喚醒 writer
      runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)
   }
}

讀鎖的實(shí)現(xiàn)總結(jié)：

• 獲取讀鎖的時(shí)候，會(huì)將 readerCount 加 1
• 如果正在獲取讀鎖的時(shí)候，發(fā)現(xiàn) readerCount 小于 0，說明有 writer 正在使用鎖，那么就需要阻塞等待 writer 完成。
• 釋放讀鎖的時(shí)候，會(huì)將 readerCount 減 1
• 如果 readerCount 減 1 之后小于 0，說明有 writer 正在等待，那么就需要喚醒 writer。
• 喚醒 writer 的時(shí)候，會(huì)將 readerWait 減 1，如果 readerWait 減 1 之后為 0，說明 writer 獲取鎖的時(shí)候存在的 reader 都已經(jīng)釋放了讀鎖，可以獲取寫鎖了。

·rwmutexMaxReaders算是一個(gè)特殊的標(biāo)識(shí)，在獲取寫鎖的時(shí)候會(huì)將readerCount的值減去rwmutexMaxReaders， 所以在其他地方可以根據(jù) readerCount` 是否小于 0 來判斷是否有 writer 正在使用鎖。

寫鎖源碼剖析

獲取寫鎖的方法如下：

// 獲取寫鎖
func (rw *RWMutex) Lock() {
   // 首先，解決與其他寫入者的競(jìng)爭(zhēng)。
   rw.w.Lock()
   // 向讀者宣布有一個(gè)待處理的寫入。
   // r 就是當(dāng)前還沒有完成的讀操作，等這部分讀操作完成之后才可以獲取寫鎖。
   r := rw.readerCount.Add(-rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
   // 等待活躍的 reader
   if r != 0 && rw.readerWait.Add(r) != 0 {
      // 阻塞，等待最后一個(gè) reader 喚醒
      runtime_SemacquireRWMutex(&rw.writerSem, false, 0)
   }
}

釋放寫鎖的方法如下：

// 釋放寫鎖
func (rw *RWMutex) Unlock() {
   // 向 readers 宣布沒有活動(dòng)的 writer。
   r := rw.readerCount.Add(rwmutexMaxReaders)
   if r >= rwmutexMaxReaders { // r >= 0 并且 < rwmutexMaxReaders 才是正常的（r 是持有寫鎖期間嘗試獲取讀鎖的 reader 數(shù)量）
      fatal("sync: Unlock of unlocked RWMutex")
   }
   // 如果有 reader 在等待寫鎖釋放，那么喚醒這些 reader。
   for i := 0; i < int(r); i++ {
      runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)
   }
   // 允許其他的 writer 繼續(xù)進(jìn)行。
   rw.w.Unlock()
}

寫鎖的實(shí)現(xiàn)總結(jié)：

• 獲取寫鎖的時(shí)候，會(huì)將 readerCount 減去 rwmutexMaxReaders，這樣就可以區(qū)分讀鎖和寫鎖了。
• 如果 readerCount 減去 rwmutexMaxReaders 之后不為 0，說明有 reader 正在使用讀鎖，那么就需要阻塞等待這些 reader 釋放讀鎖。
• 釋放寫鎖的時(shí)候，會(huì)將 readerCount 加上 rwmutexMaxReaders。
• 如果 readerCount 加上 rwmutexMaxReaders 之后大于 0，說明有 reader 正在等待寫鎖釋放，那么就需要喚醒這些 reader。

TryRLock 和 TryLock

TryRLock 和 TryLock 的實(shí)現(xiàn)都很簡(jiǎn)單，都是嘗試獲取讀鎖或者寫鎖，如果獲取不到就返回 false，獲取到了就返回 true，這兩個(gè)方法不會(huì)阻塞等待。

// TryRLock 嘗試鎖定 rw 以進(jìn)行讀取，并報(bào)告是否成功。
func (rw *RWMutex) TryRLock() bool {
   for {
      c := rw.readerCount.Load()
      // 有 goroutine 持有寫鎖
      if c < 0 {
         return false
      }
      // 嘗試獲取讀鎖
      if rw.readerCount.CompareAndSwap(c, c+1) {
         return true
      }
   }
}

// TryLock 嘗試鎖定 rw 以進(jìn)行寫入，并報(bào)告是否成功。
func (rw *RWMutex) TryLock() bool {
   // 寫鎖被占用
   if !rw.w.TryLock() {
      return false
   }
   // 讀鎖被占用
   if !rw.readerCount.CompareAndSwap(0, -rwmutexMaxReaders) {
      // 釋放寫鎖
      rw.w.Unlock()
      return false
   }
   // 成功獲取到鎖
   return true
}

總結(jié)

RWMutex 使用起來比較簡(jiǎn)單，相比 Mutex 而言，它區(qū)分了讀鎖和寫鎖，可以提高并發(fā)性能。最后，總結(jié)一下本文內(nèi)容：

RWMutex 有兩種鎖：讀鎖和寫鎖。

讀鎖可以被多個(gè) goroutine 同時(shí)持有，寫鎖只能被一個(gè) goroutine 持有。也就是可以并發(fā)讀，但只能互斥寫。

寫鎖被占用的時(shí)候，其他的讀和寫操作都會(huì)被阻塞。讀鎖被占用的時(shí)候，其他的寫操作會(huì)被阻塞，但是讀操作不會(huì)被阻塞。除非讀操作發(fā)生在一個(gè)新的寫操作之后。

RWMutex 包含以下幾個(gè)方法：

• Lock：獲取寫鎖，如果有其他的寫鎖或者讀鎖被占用，那么就會(huì)阻塞等待。
• Unlock：釋放寫鎖。
• RLock：獲取讀鎖，如果寫鎖被占用，那么就會(huì)阻塞等待。
• RUnlock：釋放讀鎖。

也包含了兩個(gè)非阻塞的方法：

• TryLock：嘗試獲取寫鎖，如果獲取不到就返回 false，獲取到了就返回 true。
• TryRLock：嘗試獲取讀鎖，如果獲取不到就返回 false，獲取到了就返回 true。

RWMutex 使用的注意事項(xiàng)跟 Mutex 差不多：

• 使用之后不能復(fù)制
• Unlock 之前需要有 Lock 調(diào)用，否則 panic，RUnlock 之前需要有 RLock 調(diào)用，否則 panic。
• 不要忘記使用 Unlock 和 RUnlock 釋放鎖。

RWMutex 的實(shí)現(xiàn)：

• 寫鎖還是使用 Mutex 來實(shí)現(xiàn)。
• 獲取讀鎖和寫鎖的時(shí)候，如果獲取不到都會(huì)阻塞等待，直到被喚醒。
• 獲取寫鎖的時(shí)候，會(huì)將 readerCount 減去 rwmutexMaxReaders，這樣就可以直到有寫鎖被占用。釋放寫鎖的時(shí)候，會(huì)將 readerCount 加上 rwmutexMaxReaders。
• 獲取寫鎖的時(shí)候，如果還有讀操作未完成，那么這一次獲取寫鎖只會(huì)等待這部分未完成的讀操作完成。所有后續(xù)的操作只能等待這一次寫鎖釋放。

以上就是一文帶你深入理解Golang中的RWMutex的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Golang RWMutex的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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