GO语言协程互斥锁Mutex和读写锁RWMutex用法实例详解

本篇文章主要是结合我之前面试的各种经历和实战开发中遇到的问题解决经验整理的，希望这篇《GO语言协程互斥锁Mutex和读写锁RWMutex用法实例详解》对你有很大帮助！欢迎收藏，分享给更多的需要的朋友学习~

sync.Mutex

Go中使用sync.Mutex类型实现mutex(排他锁、互斥锁)。在源代码的sync/mutex.go文件中，有如下定义：

// A Mutex is a mutual exclusion lock.
// The zero value for a Mutex is an unlocked mutex.
//
// A Mutex must not be copied after first use.
type Mutex struct {
	state int32
	sema uint32
}

这没有任何非凡的地方。和mutex相关的所有事情都是通过sync.Mutex类型的两个方法sync.Lock()和sync.Unlock()函数来完成的，前者用于获取sync.Mutex锁，后者用于释放sync.Mutex锁。sync.Mutex一旦被锁住，其它的Lock()操作就无法再获取它的锁，只有通过Unlock()释放锁之后才能通过Lock()继续获取锁。

也就是说，已有的锁会导致其它申请Lock()操作的goroutine被阻塞，且只有在Unlock()的时候才会解除阻塞。

另外需要注意，sync.Mutex不区分读写锁，只有Lock()与Lock()之间才会导致阻塞的情况，如果在一个地方Lock()，在另一个地方不Lock()而是直接修改或访问共享数据，这对于sync.Mutex类型来说是允许的，因为mutex不会和goroutine进行关联。如果想要区分读、写锁，可以使用sync.RWMutex类型，见后文。

在Lock()和Unlock()之间的代码段称为资源的临界区(critical section)，在这一区间内的代码是严格被Lock()保护的，是线程安全的，任何一个时间点都只能有一个goroutine执行这段区间的代码。

以下是使用sync.Mutex的一个示例，稍后是非常详细的分析过程。

package main

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

// 共享变量
var (
	m  sync.Mutex
	v1 int
)

// 修改共享变量
// 在Lock()和Unlock()之间的代码部分是临界区
func change(i int) {
	m.Lock()
	time.Sleep(time.Second)
	v1 = v1 + 1
	if v1%10 == 0 {
		v1 = v1 - 10*i
	}
	m.Unlock()
}

// 访问共享变量
// 在Lock()和Unlock()之间的代码部分是是临界区
func read() int {
	m.Lock()
	a := v1
	m.Unlock()
	return a
}

func main() {
	var numGR = 21
	var wg sync.WaitGroup

	fmt.Printf("%d", read())

	// 循环创建numGR个goroutine
	// 每个goroutine都执行change()、read()
	// 每个change()和read()都会持有锁
	for i := 0; i  %d", read())
		}(i)
	}

	wg.Wait()
}

第一次执行结果：

0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6 -> 7 -> 8 -> 9 -> -100 -> -99
-> -98 -> -97 -> -96 -> -95 -> -94 -> -93 -> -92 -> -91 -> -260 -> -259

第二次执行结果：注意其中的-74和-72之间跨了一个数

0 -> 1 -> 2 -> 3 -> 4 -> 5 -> 6 -> 7 -> 8 -> 9 -> -80 -> -79 
-> -78 -> -77 -> -76 -> -75 -> -74 -> -72 -> -71 -> -230 -> -229 -> -229

上面的示例中，change()、read()都会申请锁，并在准备执行完函数时释放锁，它们如何修改数据、访问数据本文不多做解释。需要详细解释的是main()中的for循环部分。

在for循环中，会不断激活新的goroutine(共21个)执行匿名函数，在每个匿名函数中都会执行change()和read()，意味着每个goroutine都会申请两次锁、释放两次锁，且for循环中没有任何Sleep延迟，这21个goroutine几乎是一瞬间同时激活的。

但由于change()和read()中都申请锁，对于这21个goroutine将要分别执行的42个critical section，Lock()保证了在某一时间点只有其中一个goroutine能访问其中一个critical section。当释放了一个critical section，其它的Lock()将争夺互斥锁，也就是所谓的竞争现象(race condition)。因为竞争的存在，这42个critical section被访问的顺序是随机的，完全无法保证哪个critical section先被访问。

对于前9个被调度到的goroutine，无论是哪个goroutine取得这9个change(i)中的critical section，都只是对共享变量v1做加1运算，但当第10个goroutine被调度时，由于v1加1之后得到10，它满足if条件，会执行v1 = v1 - i*10，但这个i可能是任意0到numGR之间的值(因为无法保证并发的goroutine的调度顺序)，这使得v1的值从第10个goroutine开始出现随机性。但从第10到第19个goroutine被调度的过程中，也只是对共享变量v1做加1运算，这些值是可以根据第10个数推断出来的，到第20个goroutine，又再次随机。依此类推。

此外，每个goroutine中的read()也都会参与锁竞争，所以并不能保证每次change(i)之后会随之执行到read()，可能goroutine 1的change()执行完后，会跳转到goroutine 3的change()上，这样一来，goroutine 1的read()就无法读取到goroutine 1所修改的v1值，而是访问到其它goroutine中修改后的值。所以，前面的第二次执行结果中出现了一次数据跨越。只不过执行完change()后立即执行read()的几率比较大，所以多数时候输出的数据都是连续的。

总而言之，Mutex保证了每个critical section安全，某一时间点只有一个goroutine访问到这部分，但也因此而出现了随机性。

如果Lock()后忘记了Unlock()，将会永久阻塞而出现死锁。如果

适合sync.Mutex的数据类型

其实，对于内置类型的共享变量来说，使用sync.Mutex和Lock()、Unlock()来保护也是不合理的，因为它们自身不包含Mutex属性。真正合理的共享变量是那些包含Mutex属性的struct类型。例如：

type mytype struct {
	m   sync.Mutex
	var int
}

x := new(mytype)

这时只要想保护var变量，就先x.m.Lock()，操作完var后，再x.m.Unlock()。这样就能保证x中的var字段变量一定是被保护的。

sync.RWMutex

Go中使用sync.RWMutex类型实现读写互斥锁rwmutex。在源代码的sync/rwmutex.go文件中，有如下定义：

// A RWMutex is a reader/writer mutual exclusion lock.
// The lock can be held by an arbitrary number of readers or a single writer.
// The zero value for a RWMutex is an unlocked mutex.
//
// A RWMutex must not be copied after first use.
//
// If a goroutine holds a RWMutex for reading and another goroutine might
// call Lock, no goroutine should expect to be able to acquire a read lock
// until the initial read lock is released. In particular, this prohibits
// recursive read locking. This is to ensure that the lock eventually becomes
// available; a blocked Lock call excludes new readers from acquiring the
// lock.
type RWMutex struct {
	w           Mutex  // held if there are pending writers
	writerSem   uint32 // 写锁需要等待读锁释放的信号量
	readerSem   uint32 // 读锁需要等待写锁释放的信号量
	readerCount int32  // 读锁后面挂起了多少个写锁申请
	readerWait  int32  // 已释放了多少个读锁
}

上面的注释和源代码说明了几点：

• RWMutex是基于Mutex的，在Mutex的基础之上增加了读、写的信号量，并使用了类似引用计数的读锁数量
• 读锁与读锁兼容，读锁与写锁互斥，写锁与写锁互斥，只有在锁释放后才可以继续申请互斥的锁：
  • 可以同时申请多个读锁
  • 有读锁时申请写锁将阻塞，有写锁时申请读锁将阻塞
  • 只要有写锁，后续申请读锁和写锁都将阻塞

此类型有几个锁和解锁的方法：

func (rw *RWMutex) Lock()
func (rw *RWMutex) RLock()
func (rw *RWMutex) RLocker() Locker
func (rw *RWMutex) RUnlock()
func (rw *RWMutex) Unlock()

其中：

• Lock()和Unlock()用于申请和释放写锁
• RLock()和RUnlock()用于申请和释放读锁
  • 一次RUnlock()操作只是对读锁数量减1，即减少一次读锁的引用计数
• 如果不存在写锁，则Unlock()引发panic，如果不存在读锁，则RUnlock()引发panic
• RLocker()用于返回一个实现了Lock()和Unlock()方法的Locker接口

此外，无论是Mutex还是RWMutex都不会和goroutine进行关联，这意味着它们的锁申请行为可以在一个goroutine中操作，释放锁行为可以在另一个goroutine中操作。

由于RLock()和Lock()都能保证数据不被其它goroutine修改，所以在RLock()与RUnlock()之间的，以及Lock()与Unlock()之间的代码区都是critical section。

以下是一个示例，此示例中同时使用了Mutex和RWMutex，RWMutex用于读、写，Mutex只用于读。

package main

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

var Password = secret{password: "myPassword"}

type secret struct {
	RWM      sync.RWMutex
	M        sync.Mutex
	password string
}

// 通过rwmutex写
func Change(c *secret, pass string) {
	c.RWM.Lock()
	fmt.Println("Change with rwmutex lock")
	time.Sleep(3 * time.Second)
	c.password = pass
	c.RWM.Unlock()
}

// 通过rwmutex读
func rwMutexShow(c *secret) string {
	c.RWM.RLock()
	fmt.Println("show with rwmutex",time.Now().Second())
	time.Sleep(1 * time.Second)
	defer c.RWM.RUnlock()
	return c.password
}

// 通过mutex读，和rwMutexShow的唯一区别在于锁的方式不同
func mutexShow(c *secret) string {
	c.M.Lock()
	fmt.Println("show with mutex:",time.Now().Second())
	time.Sleep(1 * time.Second)
	defer c.M.Unlock()
	return c.password
}

func main() {
	// 定义一个稍后用于覆盖(重写)的函数
	var show = func(c *secret) string { return "" }

	// 通过变量赋值的方式，选择并重写showFunc函数
	if len(os.Args) != 2 {
		fmt.Println("Using sync.RWMutex!",time.Now().Second())
		show = rwMutexShow
	} else {
		fmt.Println("Using sync.Mutex!",time.Now().Second())
		show = mutexShow
	}
	
	var wg sync.WaitGroup

	// 激活5个goroutine，每个goroutine都查看
	// 根据选择的函数不同，showFunc()加锁的方式不同
	for i := 0; i 
Change()函数申请写锁，并睡眠3秒后修改数据，然后释放写锁。
rwMutexShow()函数申请读锁，并睡眠一秒后取得数据，并释放读锁。注意，rwMutexShow()中的print和return是相隔一秒钟的。
mutexShow()函数申请Mutex锁，和RWMutex互不相干。和rwMutexShow()唯一不同之处在于申请的锁不同。
main()中，先根据命令行参数数量决定运行哪一个show()。之所以能根据函数变量来赋值，是因为先定义了一个show()函数，它的函数签名和rwMutexShow()、mutexShow()的签名相同，所以可以相互赋值。
for循环中激活了5个goroutine并发运行，for瞬间激活5个goroutine后，继续执行main()代码会激活另一个用于申请写锁的goroutine。这6个goroutine的执行顺序是随机的。
如果show选中的函数是rwMutexShow()，则5个goroutine要申请的RLock()锁和写锁是冲突的，但5个RLock()是兼容的。所以，只要某个时间点调度到了写锁的goroutine，剩下的读锁goroutine都会从那时开始阻塞3秒。
除此之外，还有一个不严格准确，但在时间持续长短的理论上来说能保证的一个规律：当修改数据结束后，各个剩下的goroutine都申请读锁，因为申请后立即print输出，然后睡眠1秒，但1秒时间足够所有剩下的goroutine申请完读锁，使得show with rwmutex输出是连在一起，输出的Go Pass: 123456又是连在一起的。
某次结果如下：
Using sync.RWMutex! 58
show with rwmutex 58
Change with rwmutex lock
Go Pass: myPassword 59
show with rwmutex 2
show with rwmutex 2
show with rwmutex 2
show with rwmutex 2
Go Pass: 123456 3
Go Pass: 123456 3
Go Pass: 123456 3
Go Pass: 123456 3

如果show选中的函数是mutexShow()，则读数据和写数据互不冲突，但读和读是冲突的(因为Mutex的Lock()是互斥的)。
某次结果如下：
Using sync.Mutex! 30
Change with rwmutex lock
show with mutex: 30
Go Pass: myPassword 31
show with mutex: 31
Go Pass: myPassword 32
show with mutex: 32
Go Pass: 123456 33
show with mutex: 33
show with mutex: 34
Go Pass: 123456 34
Go Pass: 123456 35

用Mutex还是用RWMutex
Mutex和RWMutex都不关联goroutine，但RWMutex显然更适用于读多写少的场景。仅针对读的性能来说，RWMutex要高于Mutex，因为rwmutex的多个读可以并存。
 
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