臨界區(qū)是多線(xiàn)程/并發(fā)編程中的核心概念，指程序中訪問(wèn)共享資源（如變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、文件等）的代碼段，這些資源在同一時(shí)間只能被一個(gè)線(xiàn)程訪問(wèn)以避免數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)和不一致。

本篇文章著重介紹臨界區(qū)，鎖的詳細(xì)介紹會(huì)在下一篇文章中。

基本定義

臨界區(qū)是指：

• 訪問(wèn)共享資源的代碼片段
• 需要同步機(jī)制保護(hù)的部分
• 同一時(shí)間只允許一個(gè)執(zhí)行線(xiàn)程/goroutine進(jìn)入的區(qū)域

關(guān)鍵的特性：

1. 共享資源訪問(wèn)：涉及對(duì)共享內(nèi)存、文件、設(shè)備等資源的讀寫(xiě)操作
2. 原子性需求：臨界區(qū)內(nèi)的操作應(yīng)作為一個(gè)不可分割的單元執(zhí)行
3. 互斥/排他訪問(wèn)：必須確保同一時(shí)間只有一個(gè)執(zhí)行流能進(jìn)入臨界區(qū)
4. 有限停留：線(xiàn)程應(yīng)盡快離開(kāi)臨界區(qū)，減少阻塞其他線(xiàn)程的時(shí)間

在Go中臨界區(qū)示例

無(wú)保護(hù)的臨界區(qū)（危險(xiǎn)）

var counter int // 共享變量

func increment() {
    counter++ // 這就是臨界區(qū)（沒(méi)有保護(hù)）
}

使用Mutex保護(hù)的臨界區(qū)

var (
    counter int
    mu      sync.Mutex
)

func safeIncrement() {
    mu.Lock()         // 進(jìn)入臨界區(qū)前加鎖
    defer mu.Unlock() // 確保退出時(shí)解鎖
    
    counter++         // 受保護(hù)的臨界區(qū)
    // 其他操作...
}

臨界區(qū)與鎖的關(guān)系

臨界區(qū)的設(shè)計(jì)規(guī)范

1.最小化原則：

• 盡量減小臨界區(qū)的范圍
• 只包含必須同步的操作

   // 不好：包含非必要操作
   mu.Lock()
   data := fetchFromDatabase() // 耗時(shí)IO操作
   sharedMap[key] = data
   mu.Unlock()
   
   // 更好：僅保護(hù)共享訪問(wèn)
   data := fetchFromDatabase()
   mu.Lock()
   sharedMap[key] = data
   mu.Unlock()

2.簡(jiǎn)短執(zhí)行

• 避免在臨界區(qū)內(nèi)執(zhí)行耗時(shí)操作如：IO、復(fù)雜計(jì)算
• 典型臨界區(qū)應(yīng)能在微秒級(jí)完成

3.單一職責(zé)

• 一個(gè)臨界去最好只保護(hù)一個(gè)共享資源
• 避免多個(gè)不相關(guān)資源共同用同一個(gè)鎖

4.無(wú)嵌套原則

• 避免在臨界區(qū)內(nèi)調(diào)用可能獲取其他鎖的方法
• 防止死鎖發(fā)生

臨界區(qū)保護(hù)機(jī)制對(duì)比

1. 互斥鎖（Mutex）

var mu sync.Mutex

func accessShared() {
    mu.Lock()
    // 臨界區(qū)...
    mu.Unlock()
}

2. 讀寫(xiě)鎖（RWMutex）

var rwMu sync.RWMutex

func readShared() {
    rwMu.RLock()
    // 只讀臨界區(qū)（允許多個(gè)讀者）
    rwMu.RUnlock()
}

func writeShared() {
    rwMu.Lock()
    // 寫(xiě)臨界區(qū)（獨(dú)占）
    rwMu.Unlock()
}

3. 通道（Channel）

var ch = make(chan struct{}, 1) // 容量1的通道模擬鎖

func accessShared() {
    ch <- struct{}{} // 獲取"鎖"
    // 臨界區(qū)...
    <-ch // 釋放"鎖"
}

常會(huì)遇到的問(wèn)題

1. 數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)（Data Race）

// 兩個(gè)goroutine并發(fā)執(zhí)行此函數(shù)會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)競(jìng)爭(zhēng)
func race() {
    counter++ // 未保護(hù)的臨界區(qū)
}

檢測(cè)：使用go run -race或go test -race

2. 死鎖（Deadlock）

func deadlock() {
    mu.Lock()
    mu.Lock() // 重復(fù)加鎖導(dǎo)致死鎖
    mu.Unlock()
    mu.Unlock()
}

3. 活鎖（Livelock）

// 兩個(gè)goroutine不斷重試但無(wú)法進(jìn)展
func livelock() {
    for {
        if mu.TryLock() { // Go 1.18+
            // 臨界區(qū)...
            mu.Unlock()
            break
        }
        time.Sleep(time.Millisecond) // 可能導(dǎo)致活鎖
    }
}

項(xiàng)目案例改編

銀行賬戶(hù)轉(zhuǎn)賬

type Account struct {
    mu      sync.Mutex
    balance int
}

func (a *Account) Transfer(to *Account, amount int) error {
    // 按固定順序加鎖防止死鎖
    first, second := a, to
    if a < to { // 通過(guò)地址比較確定順序
        first, second = to, a
    }
    
    first.mu.Lock()
    defer first.mu.Unlock()
    second.mu.Lock()
    defer second.mu.Unlock()
    
    // 臨界區(qū)開(kāi)始
    if a.balance < amount {
        return errors.New("insufficient balance")
    }
    a.balance -= amount
    to.balance += amount
    // 臨界區(qū)結(jié)束
    
    return nil
}

深度解讀：

1. func (a *Account) Transfer(to *Account, amount int) error：定義了一個(gè)名為T(mén)ransfer的方法，該方法屬于Account類(lèi)型的接收者，表示從一個(gè)賬戶(hù)向另一個(gè)賬戶(hù)轉(zhuǎn)賬。方法接收兩個(gè)參數(shù)，to是指向目標(biāo)賬戶(hù)的指針，amount是要轉(zhuǎn)賬的金額。返回值是error類(lèi)型，用于處理可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤情況。
2. 防止死鎖的機(jī)制：在進(jìn)行轉(zhuǎn)賬操作之前，首先對(duì)兩個(gè)賬戶(hù)進(jìn)行排序（通過(guò)比較兩個(gè)賬戶(hù)指針的內(nèi)存地址），確?？偸窍孺i定地址較小的那個(gè)賬戶(hù)的互斥鎖，然后再鎖定地址較大的那個(gè)賬戶(hù)的互斥鎖。這種按固定順序加鎖的策略可以有效避免兩個(gè)或多個(gè) goroutine 同時(shí)嘗試鎖定不同賬戶(hù)的互斥鎖時(shí)出現(xiàn)的死鎖情況。
3. 互斥鎖的使用：通過(guò)first.mu.Lock()和second.mu.Lock()分別鎖定兩個(gè)賬戶(hù)的互斥鎖，確保在同一時(shí)間只有一個(gè) goroutine 可以訪問(wèn)這兩個(gè)賬戶(hù)的余額。defer first.mu.Unlock()和defer second.mu.Unlock()語(yǔ)句用于確保在函數(shù)執(zhí)行完畢后，無(wú)論是否發(fā)生錯(cuò)誤，最終都能釋放這兩個(gè)賬戶(hù)的互斥鎖。
4. 臨界區(qū)：在兩個(gè)賬戶(hù)的互斥鎖都被成功鎖定之后，就開(kāi)始執(zhí)行轉(zhuǎn)賬操作的臨界區(qū)代碼。首先檢查轉(zhuǎn)出賬戶(hù)的余額是否足夠覆蓋轉(zhuǎn)賬金額，如果余額不足，則返回一個(gè)錯(cuò)誤信息"insufficient balance"。否則，從轉(zhuǎn)出賬戶(hù)扣除相應(yīng)的金額，并將該金額加到轉(zhuǎn)入賬戶(hù)的余額中

到此這篇關(guān)于Go語(yǔ)言并發(fā)編程臨界區(qū)的使用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Go語(yǔ)言 臨界區(qū)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！