Go 语言入门很简单：读写锁

作者：宇宙之一粟

2022 年 2 月 28 日
本文字数：6107 字
阅读完需：约 20 分钟

前言

在上一篇文章中，我们介绍了 Go 互斥锁，这一篇文章我们来介绍 Go 语言帮我们实现的标准库的 sync.RWMutex{} 读写锁。

通过使用 sync.RWMutex，我们的程序变得更加高效。

什么是读者-写者问题

先来了解读者-写者问题（Readers–writers problem）的背景。最基本的读者-写者问题首先由 Courtois 等人提出并解决。

读者-写者问题描述了计算机并发处理读写数据遇到的问题，如何保证数据完整性、一致性。解决读者-写者问题需保证对于一份资源操作满足以下下条件：

读写互斥
写写互斥
允许多个读者同时读取

解决读者-写者问题，可以采用读者优先（readers-preference）方案或者写者优先（writers-preference）方案。

读者优先（readers-preference）：读者优先是读操作优先于写操作，即使写操作提出申请资源，但只要还有读者在读取操作，就还允许其他读者继续读取操作，直到所有读者结束读取，才开始写。读优先可以提供很高的并发处理性能，但是在频繁读取的系统中，会长时间写阻塞，导致写饥饿。
写者优先（writers-preference）：写者优先是写操作优先于读操作，如果有写者提出申请资源，在申请之前已经开始读取操作的可以继续执行读取，但是如果再有读者申请读取操作，则不能够读取，只有在所有的写者写完之后才可以读取。写者优先解决了读者优先造成写饥饿的问题。但是若在频繁写入的系统中，会长时间读阻塞，导致读饥饿。

RWMutex 设计采用写者优先方法，保证写操作优先处理。

回顾一下互斥锁的案例

多次单笔存款

假设你有一个银行账户，那你既可以进行存钱，也可以查询余额的操作。

package main
import "fmt"
type Account struct {	name    string	balance float64}
//func (a *Account) Deposit(amount float64) {	a.balance += amount}
func (a *Account) Balance() float64 {	return a.balance}
func main() {	user := &Account{"xiaoW", 0}	user.Deposit(10000)	user.Deposit(200)	user.Deposit(2022)
	fmt.Printf("%s's account balance has %.2f $.", user.name, user.Balance())}

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执行该代码，进行三笔存款，我们可以看到输出的账户余额为 12222.00 $：

$ go run main.go     xiaoW's account balance has 12222.00 $.

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同时多次存款

但如果我们进行同时存款呢？即使用 goroutine 来生成三个线程来模拟同时存款的操作。然后利用sync.WaitGroup 去等待所有 goroutine 执行完毕，打印最后的余额：

package main
import (	"fmt"	"sync")
type Account struct {	name    string	balance float64}

func (a *Account) Deposit(amount float64) {	a.balance += amount}
func (a *Account) Balance() float64 {	return a.balance}
func main() {
	var wg sync.WaitGroup	user := &Account{"xiaoW", 0}
	wg.Add(3)
	go func() {		user.Deposit(10000)		wg.Done()	}()
	go func() {		user.Deposit(200)		wg.Done()	}()
	go func() {		user.Deposit(2022)		wg.Done()	}()
	wg.Wait()	fmt.Printf("%s's account banlance has %.2f $.", user.name, user.Balance())}

复制代码

同时执行 3 次是没问题的，但如果执行 1000 次呢？

package main
import (	"fmt"	"sync")
type Account struct {	name    string	balance float64}
//func (a *Account) Deposit(amount float64) {	a.balance += amount}
func (a *Account) Balance() float64 {	return a.balance}
func main() {
	var wg sync.WaitGroup	user := &Account{"xiaoW", 0}
	n := 1000	wg.Add(n)	for i := 1; i <= n; i++ {		go func() {			user.Deposit(1000)			wg.Done()		}()	}
	wg.Wait()	fmt.Printf("%s's account banlance has %.2f $.", user.name, user.Balance())}

复制代码

我们多次运行该程序，发现每次运行结果都不一样。

$  go run main.goxiaoW's account banlance has 0.00 $.                                                                                                          $  go run main.goxiaoW's account banlance has 886000.00 $.                                                                                                     
$  go run main.goxiaoW's account banlance has 2000.00 $.

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正常的结果应该为 1000 * 1000 = 1000000.00 的余额才对，运行很多次的情况下才能看到一次正常的结果。

xiaoW's account banlance has 1000000.00 $.

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使用 -race 参数来查看数据竞争

我们可以利用 -race 参数来查看我们的代码是否有竞争：

$  go run -race main.go==================WARNING: DATA RACERead at 0x00c00000e040 by goroutine 7:  main.(*Account).Deposit()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:15 +0x48  main.main.func1()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:31 +0x36
Previous write at 0x00c00000e040 by goroutine 45:  main.(*Account).Deposit()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:15 +0x6e  main.main.func1()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:31 +0x36
Goroutine 7 (running) created at:  main.main()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:30 +0x144
Goroutine 45 (finished) created at:  main.main()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:30 +0x144==================xiaoW's account banlance has 996000.00 $.Found 1 data race(s)exit status 66

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我们可以看到了发生了 goroutine 的线程竞争，goroutine 7 在读的时候，goroutine 45 在写，最终导致了读写不一致，所以最终的余额也都不符合我们的预期。

互斥锁：sync.Mutex

对于上述发生的线程竞争问题，我们就可以使用互斥锁来解决，即同一时间只能有一个 goroutine 能够处理该函数。代码改正如下：

package main
import (	"fmt"	"sync")
type Account struct {	name    string	balance float64	mux     sync.Mutex}
//func (a *Account) Deposit(amount float64) {	a.mux.Lock() // lock	a.balance += amount	a.mux.Unlock() // unlock}
func (a *Account) Balance() float64 {	return a.balance}
func main() {
	var wg sync.WaitGroup	user := &Account{}	user.name = "xiaoW"
	n := 1000	wg.Add(n)	for i := 1; i <= n; i++ {		go func() {			user.Deposit(1000)			wg.Done()		}()	}
	wg.Wait()	fmt.Printf("%s's account banlance has %.2f $.", user.name, user.Balance())}

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此时，我们再运行 3 次 go run -race main.go，得到统一的结果：

$  go run -race main.goxiaoW's account banlance has 1000000.00 $.                                                                                                  
$  go run -race main.goxiaoW's account banlance has 1000000.00 $.                                                                                                    $  go run -race main.goxiaoW's account banlance has 1000000.00 $.

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读和写同时进行

虽然我们同一时间存款问题通过互斥锁得到了解决。但是如果同时存款与查询余额呢？

package main
import (	"fmt"	"sync")
type Account struct {	name    string	balance float64	mux     sync.Mutex}
//func (a *Account) Deposit(amount float64) {	a.mux.Lock() // lock	a.balance += amount	a.mux.Unlock() // unlock}
func (a *Account) Balance() float64 {	return a.balance}
func main() {
	var wg sync.WaitGroup	user := &Account{}	user.name = "xiaoW"
	n := 1000	wg.Add(n)	for i := 1; i <= n; i++ {		go func() {			user.Deposit(1000)			wg.Done()		}()	}
  // 查询余额	wg.Add(n)	for i := 0; i <= n; i++ {		go func() {			_ = user.Balance()			wg.Done()		}()	}
	wg.Wait()	fmt.Printf("%s's account banlance has %.2f $.", user.name, user.Balance())}

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然后我们运行代码，就又出现了线程竞争的问题：

$  go run -race main.go==================WARNING: DATA RACERead at 0x00c0000ba010 by goroutine 73:  main.(*Account).Balance()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:22 +0x44  main.main.func2()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:43 +0x32
Previous write at 0x00c0000ba010 by goroutine 72:  main.(*Account).Deposit()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:17 +0x84  main.main.func1()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:35 +0x46
Goroutine 73 (running) created at:  main.main()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:42 +0x1ba
Goroutine 72 (finished) created at:  main.main()      /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:34 +0x15e==================panic: sync: negative WaitGroup counter
goroutine 2018 [running]:sync.(*WaitGroup).Add(0xc0000b4010, 0xffffffffffffffff)        /usr/local/go/src/sync/waitgroup.go:74 +0x2e5sync.(*WaitGroup).Done(...)        /usr/local/go/src/sync/waitgroup.go:99main.main.func2(0xc0000ba000, 0xc0000b4010)        /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:44 +0x5dcreated by main.main        /home/wade/GoProjects/Go RWMutex/v2/main.go:42 +0x1bbexit status 2

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同理，我们需要对查询余额作同样的加锁处理：

func (a *Account) Balance() (balance float64) {	a.mux.Lock()	balance = a.balance	a.mux.Unlock()	return balance}

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如果发生读写阻塞呢？我们利用 time.Sleep() 来模拟线程阻塞的过程：

package main
import (	"log"	"sync"	"time")
type Account struct {	balance float64	mux     sync.Mutex}
//func (a *Account) Deposit(amount float64) {	a.mux.Lock() // lock	time.Sleep(time.Second * 2)	a.balance += amount	a.mux.Unlock() // unlock}
func (a *Account) Balance() (balance float64) {	a.mux.Lock()	time.Sleep(time.Second * 2)	balance = a.balance	a.mux.Unlock()	return balance}
func main() {
	wg := &sync.WaitGroup{}	user := &Account{}
	n := 5	wg.Add(n)	for i := 1; i <= n; i++ {		go func() {			user.Deposit(1000)			log.Printf("写：存款: %v", 1000)			wg.Done()		}()	}
	wg.Add(n)	for i := 0; i <= n; i++ {		go func() {			log.Printf("读：余额: %v", user.Balance())			wg.Done()		}()	}
	wg.Wait()}

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我们在程序中，每隔两秒处理一次存款和查询操作，总共发生 5 次存款和 5 次查询，那么就需要 20 秒来执行这个程序。如果存款可以接受 2 秒的时间，但是读取应该只需要更快才对，即查询操作不应该发生阻塞。

$ go run -race main.go                                                                                                 2022/02/28 14:31:43 写：存款: 10002022/02/28 14:31:45 写：存款: 10002022/02/28 14:31:47 写：存款: 10002022/02/28 14:31:49 写：存款: 10002022/02/28 14:31:51 写：存款: 10002022/02/28 14:31:53 读：余额: 50002022/02/28 14:31:55 读：余额: 50002022/02/28 14:31:57 读：余额: 50002022/02/28 14:31:59 读：余额: 50002022/02/28 14:32:01 读：余额: 5000

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读写锁：sync.RWMutex

Mutex 将所有的 goroutine 视为平等的，并且只允许一个 goroutine 获取锁。针对这种情况，读写锁就该被派上用场了。

RWMutex 是 Go 语言中内置的一个 reader/writer 锁，用来解决读者-写者问题（Readers–writers problem）。任意数量的读取器可以同时获取锁，或者单个写入器可以获取锁。这个想法是读者只关心与写者的冲突，并且可以毫无困难地与其他读者并发执行。

Go 的读写锁的特点：多读单写。 RWMutex 结构更灵活，支持两类 goroutine：readers 和 writers。在任意一时刻，一个 RWMutex 只能由任意数量的 readers 持有，或者只能由一个 writers 持有。

读写锁的四个方法

RLock()：此方法尝试获取读锁，并会阻塞直到被获取
RUnlock()：解锁读锁
Lock()：获取写锁，阻塞直到被获取
UnLock()：释放写锁
RLocker()：该方法返回一个指向 Locker 的指针，用于获取和释放读锁

读写锁演示

把互斥锁改为读写锁也很简单，只需要把 sync.Mutex 换成 sync.RWMutex ，然后在读操作的地方改为 RLock()，释放读锁改为 RUnlock()：

package main
import (	"log"	"sync"	"time")
type Account struct {	balance float64	mux     sync.RWMutex // 读写锁}
//func (a *Account) Deposit(amount float64) {	a.mux.Lock() // 写锁	time.Sleep(time.Second * 2)	a.balance += amount	a.mux.Unlock() // 释放写锁}
func (a *Account) Balance() (balance float64) {	a.mux.RLock() // 读锁	time.Sleep(time.Second * 2)	balance = a.balance	a.mux.RUnlock() // 释放读锁	return balance}
func main() {
	wg := &sync.WaitGroup{}	user := &Account{}
	n := 5	wg.Add(n)	for i := 1; i <= n; i++ {		go func() {			user.Deposit(1000)			log.Printf("写：存款: %v", 1000)			wg.Done()		}()	}
	wg.Add(n)	for i := 0; i <= n; i++ {		go func() {			log.Printf("读：余额: %v", user.Balance())			wg.Done()		}()	}
	wg.Wait()}

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明显能感觉到读操作变快了，发生一次写之后，直接发生 6 次读操作，说明读操作是同时进行的，存款 1000 一次后，6 次读操作都是 1000 元，说明结果是正确的。

2022/02/28 14:42:50 写：存款: 10002022/02/28 14:42:52 读：余额: 10002022/02/28 14:42:52 读：余额: 10002022/02/28 14:42:52 读：余额: 10002022/02/28 14:42:52 读：余额: 10002022/02/28 14:42:52 读：余额: 10002022/02/28 14:42:52 读：余额: 10002022/02/28 14:42:54 写：存款: 10002022/02/28 14:42:56 写：存款: 10002022/02/28 14:42:58 写：存款: 1000

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总结

本文从读者-写者问题出发，回顾了互斥锁的案例：一个银行账户存款和查询的竞争问题的出现以及解决方法。最后引出 Go 自带的读写锁 sync.RWMutex 。

读写锁的特点是多读单写，一个 RWMutex 只能由任意数量的 readers 持有，或者只能由一个 writers 持有。我们可以利用读写锁来锁定某个操作以防止其他例程/线程在处理它时更改值，防止程序出现不可预测的错误。最后，可以利用读写锁弥补互斥锁的缺陷，用来加快程序的读操作，减少程序的运行时间。

灵感来源：