读写锁介绍互斥锁我们都知道会锁住代码的临界区。当一个goroutine获得互斥锁后，任何goroutine都无法获得互斥锁。它只能等待goroutine释放互斥锁，无论读写操作都会加一把大锁，在读多写少的场景下效率会很低，所以大佬们设计了读写锁。顾名思义，读写锁就是把锁分为两部分：读锁和写锁，读锁允许多个线程同时获取，因为读操作本身是线程安全的，而写操作lock是互斥锁，不允许多个线程同时获得写锁，写操作和读操作也是互斥的，总结一下：读和读不互斥，读和write是互斥的，write和write是互斥的；有的朋友可能会有疑问，为什么要加读锁，为什么要加读锁，而且读操作不会修改数据，多线程同时读同一个资源是安全的，为什么要加读锁呢？举个例子，Golang中变量的赋值并不是并发安全的。比如对一个int变量进行count++操作，并发执行时会出现意想不到的结果，因为count++操作分为三部分：读取count值，count值加1，然后将结果赋值给数数。这不是原子操作。当多个线程在未加锁的情况下同时对变量执行count++操作时，会出现数据不一致的情况。通过加写锁可以解决这个问题，但是如果我们读的时候不加读锁呢？写个例子看看，只加写锁，不加读锁：packagemainimport"sync"constmaxValue=3typeteststruct{rwsync.RWMutexindexint}func(t*test)Get()int{index}func(t*test)Set(){t.rw.Lock()t.index++如果t.index>=maxValue{t.index=0}t.rw.Unlock()}funcmain(){t:=test{}sw:=sync.WaitGroup{}fori:=0;我<100000;i++{sw.Add(2)gofunc(){t.Set()sw.Done()}()gofunc(){val:=t.Get()如果val>=maxValue{print("取值错误|value=",val,"\n")}sw.Done()}()}sw.Wait()}运行结果：取值错误|value=3取值错误|value=3取值错误|value=3取值错误|value=3取值错误|value=3.....每次操作的结果是不固定的，因为我们没有加读锁。取到的数据可能处于中间状态，所以我们可以断定需要读锁。读锁可以防止读写中间值。读写锁的跳队策略在多个读操作同时进行时也是线程安全的，一个线程获得读锁后，另一个线程也可以获得读锁，因为读锁是共享的。如果一直有线程加读锁，后面又有线程加写锁，就会获取不到锁，造成阻塞。这时候就需要一些策略来保证锁的公平性，避免锁饥饿。那么，Go语言中读写锁采用什么切队列策略来避免饥饿问题呢？这里我们用一个例子来说明Go语言的跳队策略：假设有五个goroutine，分别是G1、G2、G3、G4、G5。现在G1和G2已经成功获取到读锁，还没有释放读锁。G3需要执行Write操作，如果获取写锁失败，会阻塞等待。当前阻塞写锁的读锁goroutine个数为2：当G4后面进来想获取读锁时，会判断当前有写锁的goroutine是否阻塞等待，以避免写锁饥饿，G4也会进入阻塞等待，然后G5会进来获取写锁，因为G3正在占用mutex，所以G5会进入自旋/睡眠阻塞等待；现在G1和G2释放读锁。Lock，当释放读锁时，判断如果阻塞写锁goroutine的读锁goroutine数为0且有写锁等待，则唤醒阻塞等待的写锁G3，G3将awakened：G3在处理完写操作后会释放写锁，这一步会唤醒同时等待读锁/写锁的goroutine。至于G4和G5，谁先拿到锁就看谁快，就像抢老婆一样，先得先得。读写锁的实现接下来我们深入分析一下源码。首先，让我们看一下RWMutex结构有什么：typeRWMutexstruct{wMutex//如果有待处理的写入者writerSemuint32//写入者等待完成读者的信号量readerSemuint32//读者等待完成的信号量writersreaderCountint32//挂起的读者数readerWaitint32//离开的读者数}w：多路复用mutex提供的能力；writerSem：写操作goroutine阻塞等待信号量，当阻塞写操作的读操作goroutine释放读锁时，通过信号量通知被阻塞的写操作goroutine；readerSem：读操作goroutine阻塞等待信号量，当写操作goroutine释放写锁时，通过信号量goroutine通知被阻塞的goroutine进行读操作；redaerCount：当前正在执行的读操作goroutines个数；readerWait：写操作阻塞时等待的读操作goroutines个数；readlock和readlock对应的方法如下：func(rw*RWMutex)RLock(){//原子操作readerCount，只要value不为负，如果是atomic.就说明读锁获取成功。AddInt32(&rw.readerCount,1)<0{//有一个等待的写锁，是为了避免阻塞饿死后进来的读锁Waitingforruntime_SemacquireMutex(&rw.readerSem,false,0)}}简化racedetection方法，读锁方法只有两行代码，逻辑如下：使用原子操作更新readerCount，并将readercount的值加1，只要原子操作完成，如果值不为负，则表示读锁添加成功。如果值为负数，表示已经有写锁，互斥量获取成功。writelockgoroutine处于等待或运行状态，所以为了避免饿死，会在后面执行。传入的读锁需要阻塞等待。调用runtime_SemacquireMutex阻塞等待非阻塞加读锁Go语言在1.18引入了非阻塞加读锁的方法：func(rw*RWMutex)TryRLock()bool{for{//readerCount值可以知道有没有当前是等待阻塞的写锁。如果该值为负数，那么后续的读锁将被阻塞。c:=atomic.LoadInt32(&rw.readerCount)ifc<0{ifrace.Enabled{race.Enable()}returnfalse}//尝试获取读锁，for循环不断尝试ifatomic.CompareAndSwapInt32(&rw.readerCount,c,c+1){ifrace.Enabled{race.Enable()race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem))}returntrue}}}因为读锁是共享的，所以多个线程可以获取它同时在没有写锁的时候阻塞等待，所以原子操作可能会失败。这里用一个for循环来增加尝试的次数，非常巧妙。释放读锁释放读锁的代码主要分为两部分，第一部分：func(rw*RWMutex)RUnlock(){//将readerCount的值减1，如果该值等于0，直接退出即可；否则进入rUnlockSlow处理ifr:=atomic.AddInt32(&rw.readerCount,-1);r<0{//outlinedslow-path允许内联fast-pathrw.rUnlockSlow(r)}}我们都知道readerCount的值代表当前正在执行的读操作goroutines的数量。自减后的值大于等于0表示当前没有异常场景或者写锁阻塞等待，直接退出即可，否则需要处理这两个逻辑：rUnlockSlow逻辑如下：func(rw*RWMutex)rUnlockSlow(rint32){//r+1等于0表示释放读锁而不加读锁，异常场景应该抛出异常//r+1==-rwmutexMaxReaders也就是不加读锁，释放读锁//因为写锁加锁成功后，rwmutexMaxReaders会减去readerCout的值ifr+1==0||r+1==-rwmutexMaxReaders{race.Enable()throw("sync:RUnlockofunlockedRWMutex")}//如果有写锁在等待读锁，readerWait的值会被更新，所以值rw.readerWait的值将一步递减。//如果原子操作后readerWait的值等于0，说明当前阻塞写锁的读锁已经释放，需要唤醒等待的写锁ifatomic.AddInt32(&rw.readerWait,-1)==0{//最后一个reader解除阻塞writer.runtime_Semrelease(&rw.writerSem,false,1)}}解读这段代码：r+1等于0，表示当前goroutine释放读锁，没有加areadlock，这是非法操作。r+1==-rwmutexMaxReaders表示写锁如果加锁成功，readerCount减去rwmutexMaxReaders会变成负数。如果之前没有加读锁，那么直接释放读锁会导致这个等式成立。同样是释放读锁而不加读锁的操作，属于非法操作；readerWait表示当写操作被阻塞时读操作的goroutines数量。如果有写锁在等待，readerWait的值将被更新。当读锁释放时，readerWait需要递减。如果自减后等于0，说明当前阻塞的写锁读锁已经释放，需要唤醒等待的写锁（见下面writelock代码呼应。）writelock和writelock对应的方法如下：constrwmutexMaxReaders=1<<30func(rw*RWMutex)Lock(){//首先解决与其他writers的竞争.//写锁也是互斥锁，能够复用互斥锁解决与其他写锁的竞争//如果写锁已经获取，其他goroutine在获取到写锁rw.w时会进入自旋或休眠。Lock()//设置readerCount为负值，告诉reader现在有一个写锁在等待运行（获取mutex成功）r:=atomic.AddInt32(&rw.readerCount,-rwmutexMaxReaders)+rwmutexMaxReaders//获取mutex排斥锁成功并不意味着goroutine成功获取了写锁。默认情况下，我们最多有2^30次读取操作。减去这个最大数后//如果还是不为0，说明前面还有读锁，需要等待读锁释放，写的时候更新等待读操作的goroutines个数操作被阻止；ifr!=0&&atomic.AddInt32(&rw.readerWait,r)!=0{runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem,false,0)}}代码量不是很大，但是还是有点复杂理解。我试着用文字来分析它。主要分为两部分：获取互斥量，写锁也是互斥量。这里我们重用了互斥量的锁定能力。当互斥锁加锁成功后，其他写锁goroutine会进入自旋休眠等待再次尝试获取锁；判断是否获取写锁成功，有一个变量rwmutexMaxReaders=1<<30表示最大支持2^30个并发读，成功锁定互斥锁后，假设有2^30个读操作释放读锁，将readerCount设置为负数并通过原子操作加2^30，如果此时r仍不为0如果正在进行读操作，则写锁需要等待。同时通过原子操作更新readerWait字段，即更新写操作阻塞时等待读操作goroutines的个数；readerWait会判断上面的读锁什么时候被释放。,递减,当前重新当aderWait递减为0时，写锁会被唤醒非阻塞写锁Go语言在1.18引入了非阻塞锁的方法：func(rw*RWMutex)TryLock()bool{//首先判断是否获取互斥量成功，如果不成功，直接返回falseif!rw.w.TryLock(){ifrace.Enabled{race.Enable()}returnfalse}//mutex获取成功，然后判断是否有读锁阻塞写锁，如果没有则更新readerCount直接为负数成功获取写锁；if!atomic.CompareAndSwapInt32(&rw.readerCount,0,-rwmutexMaxReaders){rw.w.Unlock()ifrace.Enabled{race.Enable()}returnfalse}returntrue}releaseWritelockfunc(rw*RWMutex)解锁(){//向读者宣布没有活跃的作家。//将readerCount恢复为正数，即释放读锁的mutexr:=atomic.AddInt32(&rw.readerCount,rwmutexMaxReaders)ifr>=rwmutexMaxReaders{race.Enable()throw("sync:UnlockofunlockedRWMutex")}//如果后面有readgoroutines，需要唤醒它们fori:=0;我<整数（r）；i++{runtime_Semrelease(&rw.readerSem,false,0)}//释放mutex，写操作的goroutine和读操作的goroutine同时竞争rw.w.Unlock()}释放的逻辑比较writelock简单，释放writelock会唤醒后面的读写操作的goroutines，然后进行竞争；综上所述，因为我们上面分享了mutex的实现，所以看读写锁就容易多了。文末总结一下读写锁：读写锁提供四种操作：读锁，读解锁，写锁,写解锁;锁定规则为读写共享、写写互斥、读写互斥、写读互斥；读写锁必须存在于读写锁中，它们的目的也是为了避免原子性问题。只有写锁，没有读锁，才会导致我们读到中间值；Go语言的读写锁在设计上也避免了写锁饥饿的问题，由readerCount和readerWait字段控制。当写锁goroutine处于阻塞状态时，后面进来的想要获取读锁的goroutine也会被阻塞。当写锁释放时，会唤醒后面的读操作goroutine和写操作goroutine，让它们竞争剩下的；readlockLock获取过程：当锁空闲时，可以立即获取readlock。如果当前有写锁被阻塞，那么想要获取读锁的goroutine会休眠释放读锁的过程：如果没有异常场景或者写锁等待发生，则直接释放读锁.如果没有加读锁就释放了读锁，会抛出异常；在写锁被读锁阻塞的场景下，readerWait的值会递减。readerWait表示阻塞写操作goroutine的读操作goroutine数量，当readerWait减为0时，可以唤醒被写操作阻塞的goroutine；写锁获取过程写锁复用了互斥锁mutex的能力，首先尝试获取互斥锁，如果获取互斥锁失败，则进入自旋/睡眠；获取互斥量成功不代表写锁加成功。这时候如果还有goroutine在占用读锁，就会阻塞，否则写锁会成功释放。写锁进程释放写锁会将readerCount的负值变为正值，解除读锁的互斥，唤醒当前阻塞的所有读锁，释放互斥量。读写锁的代码量不多，因为它复用了mutex的设计，我在读写锁的功能上做的比较多，比mutex容易理解多了，你学会了吗？
