Go 并发编程之 Mutex

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我们比较常见的大型项目的设计中都会出现并发访问问题,并发就是为了解决数据的准确性,保证同一个临界区的数据只能被一个线程进行操作,日常中使用到的并发场景也是很多的:

  • 计数器:计数器结果不准确;
  • 秒杀系统:由于同一时间访问量比较大,导致的超卖;
  • 用户账户异常:同一时间支付导致的账户透支;
  • buffer 数据异常:更新 buffer 导致的数据混乱。

上面都是并发带来的数据准确性的问题,决绝方案就是使用互斥锁,也就是今天并发编程中的所要描述的 Mutex 并发原语。

实现机制

互斥锁 Mutex 就是为了避免并发竞争建立的并发控制机制,其中有个“临界区”的概念。

在并发编程过程中,如果程序中一部分资源或者变量会被并发访问或者修改,为了避免并发访问导致数据的不准确,这部分程序需要率先被保护起来,之后操作,操作结束后去除保护,这部分被保护的程序就叫做 临界区

使用互斥锁,限定临界区只能同时由一个线程持有,若是临界区此时被一个线程持有,那么其他线程想进入到这个临界区的时候,就会失败或者等待释放锁,持有此临界区的线程退出,其他线程才有机会获得这个临界区。

go mutex 临界区示意图

Mutex 是 Go 语言中使用最广泛的同步原语,也称为并发原语,解决的是并发读写共享资源,避免出现数据竞争 data race 问题

基本使用

互斥锁 Mutex 提供了两个方法 Lock 和 Unlock:进入到临界区使用 Lock 方法加锁,退出临界区使用 Unlock 方法释放锁 。

type Locker interface {
    Lock()
    Unlock()
}

func(m *Mutex)Lock()
func(m *Mutex)Unlock()

当一个 goroutine 调用 Lock 方法获取到锁后,其他 goroutine 会阻塞在 Lock 的调用上,直到当前获取到锁的 goroutine 释放锁。

接下来是一个计数器的例子,是由 100 个 goroutine 对计数器进行累加操作,最后输出结果:

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    var mu sync.Mutex
    countNum := 0

    // 确认辅助变量是否都执行完成
    var wg sync.WaitGroup

    // wg 添加数目要和 创建的协程数量保持一致
    wg.Add(100)
    for i := 0; i < 100; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            for j := 0; j < 1000; j++ {
                mu.Lock()
                countNum++
                mu.Unlock()
            }
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.Printf("countNum: %d", countNum)
}

实际使用

很多时候 Mutex 并不是单独使用的,而是嵌套在 Struct 中使用,作为结构体的一部分,如果嵌入的 struct 有多个字段,我们一般会把 Mutex 放在要控制的字段上面,然后使用空格把字段分隔开来。

甚至可以把获取锁、释放锁、计数加一的逻辑封装成一个方法。

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
)

// 线程安全的计数器
type Counter struct {
    CounterType int
    Name        string

    mu    sync.Mutex
    count uint64
}

// 加一方法
func (c *Counter) Incr() {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()
    c.count++
}

// 取数值方法 线程也需要受保护
func (c *Counter) Count() uint64 {
    c.mu.Lock()
    defer c.mu.Unlock()
    return c.count
}

func main() {
    // 定义一个计数器
    var counter Counter

    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(100)

    for i := 0; i < 100; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            for j := 0; j < 1000; j++ {
                counter.Incr()
            }
        }()
    }
    wg.Wait()

    fmt.Printf("%dn", counter.Count())
}

思考问题

Q:你已经知道,如果 Mutex 已经被一个 goroutine 获取了锁,其它等待中的 goroutine 们只能一直等待。那么,等这个锁释放后,等待中的 goroutine 中哪一个会优先获取 Mutex 呢?

A:FIFO,先来先服务的策略,Go 的 goroutine 调度中,会维护一个保障 goroutine 运行的队列,当获取到锁的 goroutine 执行完临界区的操作的时候,就会释放锁,在队列中排在第一位置的 goroutine 会拿到锁进行临界区的操作。

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