并发 Go 程序中的共享变量 (二)：锁

本系列是阅读 “The Go Programming Language” 理解和记录。

上一节我们提到了避免 data race 的一种方法是使用 lock，而 Go 的 Mutex type 正好就提供了能够满足需要的 lock，直接看例子：


import "sync"

var (
    mu    sync.Mutex
    balance int
)

func Deposit(amount int){
    mu.Lock()
    balance = balance + amount
    mu.Unlock()
}

func Balance() int {
    mu.Lock()
    b := balance
    mu.Unlock()
    return b
}

每当有 goroutine 需要获取 balance，首先需要通过 mutex 获得一个排他锁，如果其他的 goroutine 已经获得了 lock，当前 goroutine 会被阻塞直到这个锁被释放。Mutex lock 就是通过这种机制的来保护共享数据的安全的，我们把锁保护起来的区域称之为 critical section。

通过锁来保护 shared data 是一种很常用的机制，其重点在于判别 critical section 和适时释放锁，在上面的例子中锁的释放是在完成 balance 的操作之后开始释放，由于代码量很少，这样的写法并不会引起太大的问题。在复杂的程序中，critical section 的逻辑可能会很复杂，特别是在 critical section 发生错误需要提前返回这时候就需要对锁进行提前释放，因此合理安排 lock 和 unlock 的出现时机变得非常重要，幸运地是 Go 有 defer 语句可以很好的解决这个问题：借助 defer，unlock 能够在 critical section 正确结束或错误返回包括 panic 都能得到执行。

func Balance() int {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    return balance
}

除了锁的释放时机，critical section 的判定更是直接决定了程序能否按照正确的逻辑执行，一起开下面的例子。

func Withdraw(amount int) bool {
    Deposit(-amount)
    if Balance() < 0 {
        Deposit(amount)
        return false // insufficient funds
    }
    return true
}

Deposit 和 Balance 是上面我们加了锁的两个函数，虽然 Withdraw 的执行不会造成 balance 无故消失的错误但是却导致了另外一个问题，考虑 Withdraw 在多个 goroutine 中执行，如果一个 goroutine 执行的时候导致 balance 是负的，则会导致另一个 goroutine 逻辑不能正确执行。比如现实中 balance 有 100 ，有一个 goroutine 发起了 110 withdraw 操作，导致 balance 是负的，而另一个 goroutine 即使发起的是 10 withdraw 操作也会失败，虽然 balance 的最终结果是对的，但一个合法的 withdraw 却失败了，这在现实中是无法接受的，就好比明明账上有 100 却无法支付一顿 10 的早餐。导致这个错误的原因就是：Withdraw 不是原子操作。

什么是原子操作 atomic operation？原子操作就是一组操作，要么全部执行要么全部不执行，不会发生部分执行，部分不执行的情况。Withdraw 函数中的一些列操作虽然用 lock 锁住了，但是这些步骤是割裂的，并不是连续的，这样会导致 Withdraw 在并发执行过程中，其它的 goroutine 能够看到当前 Withdraw 未执行完成的结果。一个解决办法是 Withdraw 函数也加锁。

func Withdraw(amount int) bool {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    Deposit(-amount)
    if Balance() < 0 {
        Deposit(amount)
        return false // insufficient funds
    }
    return true
}

由于 mutex 是不可重入的，如果 Withdraw 函数也用了 lock 则会发生死锁：

1	fatal error: all goroutines are asleep - deadlock!

对于上面的问题，一种通用的做法是，把 Deposit 单独实现，一个是具有 lock 的，对外使用，一个是没有 lock 的，供有 lock 的调用:

func Deposit(amount int) {
    mu.Lock()
    deposit(amount)
    mu.Unlock()
}

func Withdraw(amount int) bool {
    mu.Lock()
    defer mu.Unlock()
    deposit(-amount)
    if balance < 0 {
        deposit(amount)
        return false // insufficient funds
    }
    return true
}

func deposit(amount int) {
    balance = balance + amount
}

Withdraw 例子恰好说明了在使用锁的时候需要考虑 critical section ，这在任何时候使用 mutex 时都需要注意。