GO的鎖和原子操作分享

上次我們說到協(xié)程，我們再來回顧一下：

• 協(xié)程類似線程，是一種更為輕量級的調(diào)度單位
• 線程是系統(tǒng)級實現(xiàn)的，常見的調(diào)度方法是時間片輪轉(zhuǎn)法
• 協(xié)程是應(yīng)用軟件級實現(xiàn)，原理與線程類似
• 協(xié)程的調(diào)度基于 GPM 模型實現(xiàn)

要是對協(xié)程的使用感興趣的話，可以看看這篇文章簡單了解一下瞅一眼就會使用GO的并發(fā)編程分享

今天我們來聊聊GO里面的鎖

鎖是什么

鎖 是用于解決隔離性的一種機制

某個協(xié)程（線程）在訪問某個資源時先鎖住，防止其它協(xié)程的訪問，等訪問完畢解鎖后其他協(xié)程再來加鎖進行訪問

在我們生活中，我們應(yīng)該不會陌生，鎖是這樣的

本意是指置于可啟閉的器物上，以鑰匙或暗碼開啟，引申義是用鎖鎖住、封閉

生活中用到的鎖

上鎖基本是為了防止外人進來、防止自己財物被盜

編程語言中的鎖

鎖的種類更是多種多樣，每種鎖的加鎖開銷以及應(yīng)用場景也不盡相同

鎖是用來做什么的

用來控制各個協(xié)程的同步，防止資源競爭導(dǎo)致錯亂問題

在高并發(fā)的場景下，如果選對了合適的鎖，則會大大提高系統(tǒng)的性能，否則性能會降低。

那么知道各種鎖的開銷，以及應(yīng)用場景很有必要

GO中的鎖有哪些？

• 互斥鎖
• 讀寫鎖

我們在編碼中會存在多個 goroutine 協(xié)程同時操作一個資源（臨界區(qū)），這種情況會發(fā)生競態(tài)問題（數(shù)據(jù)競態(tài)）

舉一個生活中的例子

生活中最明顯的例子就是，大家搶著上廁所，資源有限，只能一個一個的用

舉一個編碼中的例子

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

// 全局變量
var num int64
var wg sync.WaitGroup

func add() {
	for i := 0; i < 10000000; i++ {
		num = num + 1
	}
	// 協(xié)程退出， 記錄 -1
	wg.Done()
}
func main() {
	// 啟動2個協(xié)程，記錄 2
	wg.Add(2)

	go add()
	go add()

	// 等待子協(xié)程退出
	wg.Wait()
	fmt.Println(num)
}

按照上述代碼，我們的輸出結(jié)果應(yīng)該是 20000000，每一個協(xié)程計算 10000000 次，可是實際結(jié)果卻是

10378923

每一次計算的結(jié)果還不一樣，出現(xiàn)這個問題的原因就是上述提到的資源競爭

兩個 goroutine 協(xié)程在訪問和修改num變量，會存在2個協(xié)程同時對num+1 ， 最終num 總共只加了 1 ，而不是 2

這就導(dǎo)致最后的結(jié)果與期待的不符，那么我們?nèi)绾谓鉀Q呢？

我們當然是用鎖控制同步了，保證各自協(xié)程在操作臨界區(qū)資源的時候，先確實是否拿到鎖，只有拿到鎖了才能進行對臨界區(qū)資源的修改

先來看看互斥鎖

互斥鎖

互斥鎖的簡單理解就像上述我們講到上廁所的案例一樣，同一時間點，只能有一個人在使用其他人只能排隊等待

在編程中，引入了對象互斥鎖的概念，來保證共享數(shù)據(jù)操作的完整性

每個對象都對應(yīng)于一個可稱為互斥鎖的標記，這個標記用來保證在任一時刻，只能有一個協(xié)程訪問該對象。

應(yīng)用場景

寫大于讀操作的

它代表的資源就是一個，不管是讀者還是寫者，只要誰擁有了它，那么其他人就只有等待解鎖后

我們來使用互斥鎖解決上述的問題

互斥鎖 - 解決問題

互斥鎖是一種常用的控制共享資源訪問的方法，它能夠保證同時只有一個 goroutine 協(xié)程可以訪問共享資源

Go 中使用到如下 1個知識點來解決

sync包 的 Mutex類型 來實現(xiàn)互斥鎖

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

// 全局變量
var num int64
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex

func add() {
   for i := 0; i < 10000000; i++ {
      // 訪問資源前  加鎖
      lock.Lock()
      num = num + 1
      // 訪問資源后  解鎖
      lock.Unlock()
   }
   // 協(xié)程退出， 記錄 -1
   wg.Done()
}
func main() {
   // 啟動2個協(xié)程，記錄 2
   wg.Add(2)

   go add()
   go add()

   // 等待子協(xié)程退出
   wg.Wait()
   fmt.Println(num)
}

執(zhí)行上述代碼，我們能看到，輸出的結(jié)果與我們預(yù)期的一致

20000000

使用互斥鎖能夠保證同一時間有且只有一個goroutine 協(xié)程進入臨界區(qū)，其他的goroutine則在等待鎖

當互斥鎖釋放后，等待的 goroutine 協(xié)程才可以獲取鎖進入臨界區(qū)

如何知道哪一個協(xié)程是先被喚醒呢？

可是，多個goroutine 協(xié)程同時等待一個鎖時，如何知道哪一個協(xié)程是先被喚醒呢？

互斥鎖這里的喚醒的策略是隨機的，并不知道到底是先喚醒誰

讀寫鎖

為什么有了互斥鎖 ，還要讀寫鎖呢？

很明顯就是互斥鎖不能滿足所有的應(yīng)用場景，就催生出了讀寫鎖，我們細細道來

互斥鎖是完全互斥的，不管協(xié)程是讀臨界區(qū)資源還是寫臨界區(qū)資源，都必須要拿到鎖，否則就無法操作（這個限制太死了對嗎)

可是在我們實際的應(yīng)用場景下是讀多寫少

若我們并發(fā)的去讀取一個資源，且不對資源做任何修改的時候如果也要加鎖才能讀取數(shù)據(jù)，是不是就很沒有必要呢

這種場景下讀寫鎖就發(fā)揮作用了，他就相對靈活了，也很好的解決了讀多寫少的場景問題

讀寫鎖的種類

• 讀鎖
• 寫鎖

當一個goroutine 協(xié)程獲取讀鎖之后，其他的 goroutine 協(xié)程如果是獲取讀鎖會繼續(xù)獲得鎖

可如果是獲取寫鎖就必須等待

當一個 goroutine 協(xié)程獲取寫鎖之后，其他的goroutine 協(xié)程無論是獲取讀鎖還是寫鎖都會等待

我們先來寫一個讀寫鎖的DEMO

Go 中使用到如下 1個知識點來解決

sync包 的 RWMutex類型 來實現(xiàn)讀寫鎖

package main

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

var (
   num    int64
   wg     sync.WaitGroup
   //lock   sync.Mutex
   rwlock sync.RWMutex
)

func write() {
   // 加互斥鎖
   // lock.Lock()

   // 加寫鎖
   rwlock.Lock()

   num = num + 1
   // 模擬真實寫數(shù)據(jù)消耗的時間
   time.Sleep(10 * time.Millisecond)

   // 解寫鎖
   rwlock.Unlock()

   // 解互斥鎖
   // lock.Unlock()

   // 退出協(xié)程前 記錄 -1
   wg.Done()
}

func read() {
   // 加互斥鎖
   // lock.Lock()

   // 加讀鎖
   rwlock.RLock()

   // 模擬真實讀取數(shù)據(jù)消耗的時間
   time.Sleep(time.Millisecond)

   // 解讀鎖
   rwlock.RUnlock()

   // 解互斥鎖
   // lock.Unlock()

   // 退出協(xié)程前 記錄 -1
   wg.Done()
}

func main() {
   // 用于計算時間 消耗
   start := time.Now()

   // 開5個協(xié)程用作 寫
   for i := 0; i < 5; i++ {
      wg.Add(1)
      go write()
   }

   // 開500 個協(xié)程，用作讀
   for i := 0; i < 1000; i++ {
      wg.Add(1)
      go read()
   }

   // 等待子協(xié)程退出
   wg.Wait()
   end := time.Now()

   // 打印程序消耗的時間
   fmt.Println(end.Sub(start))
}

我們開5個協(xié)程用于寫，開1000個協(xié)程用于讀，使用讀寫鎖加鎖，結(jié)果耗時 54.4871ms 如下

54.4871ms

如果我們將上述代碼修改成加 互斥鎖，運行之后的結(jié)果是 1.7750029s 如下

1.7750029s

是不是結(jié)果相差很大呢，對于不同的場景應(yīng)用不同的鎖，對于我們的程序性能影響也是很大，當然上述結(jié)果，若讀協(xié)程，和寫協(xié)程的個數(shù)差距越大，結(jié)果就會越懸殊

我們總結(jié)一下這一小塊的邏輯：

• 寫者是排他性的，一個讀寫鎖同時只能有一個寫者或多個讀者
• 不能同時既有讀者又有寫者
• 如果讀寫鎖當前沒有讀者，也沒有寫者，那么寫者可以立刻獲得讀寫鎖，否則它必須自旋在那里，直到?jīng)]有任何寫者或讀者。
• 如果讀寫鎖沒有寫者，那么讀者可以立即獲得該讀寫鎖，否則讀者必須自旋在那里，直到寫者釋放該讀寫鎖。

上述提了自旋鎖，我們來簡單解釋一下，什么是自旋鎖

自旋鎖是專為防止多處理器并發(fā)而引入的一種鎖，它在內(nèi)核中大量應(yīng)用于中斷處理等部分（對于單處理器來說，防止中斷處理中的并發(fā)可簡單采用關(guān)閉中斷的方式，即在標志寄存器中關(guān)閉/打開中斷標志位，不需要自旋鎖）。

簡單來說，在并發(fā)過程中，若其中一個協(xié)程拿不到鎖，他會不停的去嘗試拿鎖，不停的去看能不能拿，而不是阻塞睡眠

自旋鎖和互斥鎖的區(qū)別

互斥鎖

當拿不到鎖的時候，會阻塞等待，會睡眠，等待鎖釋放后被喚醒

自旋鎖

當拿不到鎖的時候，會在原地不停的看能不能拿到鎖，所以叫做自旋，他不會阻塞，不會睡眠

如何選擇鎖

對于 C/C++ 而言

• 若加鎖后的業(yè)務(wù)操作消耗，大于互斥鎖阻塞后切換上下文的消耗 ，那么就選擇互斥鎖
• 若加鎖后的業(yè)務(wù)操作消耗，小于互斥鎖阻塞后切換上下文的消耗，那么選擇自旋鎖

對于 GO 而言

• 若寫的頻次大大的多余讀的頻次，那么選擇互斥鎖
• 若讀的頻次大大的多余寫的頻次，那么選擇讀寫鎖

我們都是對自身要求比較高的同學(xué)，那么有沒有比鎖還好用的東西呢？

自然是有的，我們來看看原子操作

啥是原子操作

"原子操作(atomic operation)是不需要synchronized"，這是多線程編程的老生常談了。所謂原子操作是指不會被線程調(diào)度機制打斷的操作

這種操作一旦開始，就一直運行到結(jié)束，中間不會有任何 context switch （切換到另一個線程）。

原子操作的特性：

原子操作是不可分割的，在執(zhí)行完畢之前不會被任何其它任務(wù)或事件中斷

上述我們的加鎖案例，咱們編碼中的加鎖操作會涉及內(nèi)核態(tài)的上下文切換會比較耗時、代價比較高

針對基本的數(shù)據(jù)類型我們還可以使用原子操作來保證并發(fā)安全

因為原子操作是Go語言提供的方法它在用戶態(tài)就可以完成，因此性能比加鎖操作更好

不用我們自己寫匯編，這里 GO 也提供了原子操作的包，供我們一起來使用 sync/atomic

我們對上述的案例做一個延伸

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
	"sync/atomic"
	"time"
)

var num int64
var l sync.Mutex
var wg sync.WaitGroup

// 普通版加函數(shù)
func add() {
	num = num + 1
	wg.Done()
}

// 互斥鎖版加函數(shù)
func mutexAdd() {
	l.Lock()
	num = num + 1
	l.Unlock()
	wg.Done()
}

// 原子操作版加函數(shù)
func atomicAdd() {
	atomic.AddInt64(&num, 1)
	wg.Done()
}

func main() {
	// 目的是 記錄程序消耗時間
	start := time.Now()
	for i := 0; i < 20000; i++ {

		wg.Add(1)

		// go add()       // 無鎖的  add函數(shù) 不是并發(fā)安全的
		// go mutexAdd()  // 互斥鎖的 add函數(shù) 是并發(fā)安全的，因為拿不到互斥鎖會阻塞，所以加鎖性能開銷大

		go atomicAdd()    // 原子操作的 add函數(shù) 是并發(fā)安全，性能優(yōu)于加鎖的
	}

	// 等待子協(xié)程 退出
	wg.Wait()

	end := time.Now()
	fmt.Println(num)
	// 打印程序消耗時間
	fmt.Println(end.Sub(start))
}

我們使用上述 demo 代碼，模擬了3種情況下，程序的耗時以及計算結(jié)果對比

不加鎖

無鎖的 add函數(shù) 不是并發(fā)安全的

19495
11.9474ms

加互斥鎖

互斥鎖的 add函數(shù) 是并發(fā)安全的，因為拿不到互斥鎖會阻塞，所以加鎖性能開銷大

20000
14.9586ms

使用原子操作

原子操作的 add函數(shù) 是并發(fā)安全，性能優(yōu)于加鎖的

20000
9.9726ms

總結(jié)

• 分享了鎖是什么，用來做什么
• 分享了互斥鎖，讀寫鎖，以及其區(qū)別和應(yīng)用場景
• 分享了原子操作
• 大家感興趣可以去看看鎖的實現(xiàn)，里面也是有使用原子操作

以上就是GO的鎖和原子操作的示例詳解的詳細內(nèi)容，更多關(guān)于GO鎖 原子操作的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！