并发 Go 程序中的共享变量 (三):读写锁

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

在上篇中 并发 Go 程序中的共享变量 (二):锁 我们的获取 balance 的方法也用了锁:

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

这样带来什么问题呢?假设有一个场景,用户需要频繁的查询 balance,这会导致 lock 被频繁的调用,不但 Balance 函数彼此之间需要等待对方锁的释放,同时也会影响到 WidthdrawDeposit 函数的调用:

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package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var (
mu sync.Mutex
balance int
)
func Balance() int {
fmt.Println("Balance wait for another goroutine release lock")
mu.Lock()
fmt.Println("Balance acquired lock")
defer mu.Unlock()
return balance
}
func Balance2() int {
mu.Lock()
fmt.Println("Balance2 acquired lock")
defer mu.Unlock()
time.Sleep(10 * time.Second)
fmt.Println("Balance2 release lock")
return balance
}
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
}
func main() {
balance = 100
wait := make(chan int)
go func() {
fmt.Println("Balance2 == >", Balance2())
wait <- 1
}()
time.Sleep(2 * time.Second) // 此处 sleep 操作是为了 Balance2 优先获得执行
fmt.Println("Balance ==>", Balance())
<-wait
}

为了演示方便,代码中构造了两个读取 balance 的函数 BalanceBalance2,假设在 Balance2 由于某种原因读取 balance 的操作需要等待一段时间,这个时候如果 Balance2 不结束 Balance 就无法执行,输出结果如下:

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Balance2 acquired lock
Balance wait for another goroutine release lock
Balance2 release lock
Balance2 == > 100
Balance acquired lock
Balance ==> 100

由输出结果不难看出(程序中的 IO 操作能够引起 goroutine 执行的切换,所以需要小心对待 print 才能正确演示我们要的结果),Balance 必须要等到 Balance2 释放锁之后才能获取 balance,程序的整个执行过程中并没有修改 balance 的操作,也就是如果仅仅只有读取 balance 的操作,它们的并发执行是安全的,但是由于 sync.Mutex 的使用,这将导致这种并发安全的操作也会带来不必要的性能损耗:锁的频繁获取和释放。这里如果有一种特殊的锁能够允许对 balance 的读取操作可以并行执行,但是一旦遇到修改操作就必须要等待锁的获取才能继续读取,这部分的性能损耗就可以弥补。幸运地是,Go 提供了这种锁,称之为 multiple readers,single writer 锁:sync.RWMutex

我们对上面的代码进行小小的修改,替换获取锁和释放锁的代码:

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var (
mu sync.RWMutex
balance int
)
func Balance() int {
fmt.Println("Balance wait for another goroutine release lock")
mu.RLock() // 修改处
fmt.Println("Balance acquired lock")
defer mu.RUnlock() // 修改处
return balance
}
func Balance2() int {
mu.RLock() // 修改处
fmt.Println("Balance2 acquired lock")
defer mu.RUnlock() // 修改处
time.Sleep(10 * time.Second)
fmt.Println("Balance2 release lock")
return balance
}

执行输出如下:

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Balance2 acquired lock
Balance wait for another goroutine release lock
Balance acquired lock
Balance ==> 100
Balance2 release lock
Balance2 == > 100

可以看到即使 Balance2 没有释放锁,Balance 依然可以获得锁,程序整体的执行效率提升了,尤其是读越多,效果越显著。

使用了 RLock 的 Balance 依然在遇到 Widthdraw 等已经通过 Lock 获取锁的 函数执行时必须要继续等待:

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package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
var (
mu sync.RWMutex
balance int
)
func Balance() int {
fmt.Println("Balance wait for another goroutine release lock")
mu.RLock()
fmt.Println("Balance acquired lock")
defer mu.RUnlock()
return balance
}
func Deposit(amount int) {
mu.Lock()
fmt.Println("Deposit acquired lock")
defer mu.Unlock()
time.Sleep(5 * time.Second)
deposit(amount)
}
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
}
func main() {
balance = 100
wait := make(chan int)
go func() {
Deposit(100)
wait <- 1
}()
time.Sleep(1 * time.Second)
fmt.Println("Balance ==>", Balance())
<-wait
}

即使使用 RLock,Balance 函数还是需要等待 Deposit 释放锁,说明我们的目的达到了:多读并行,一写排它

sync.RWMutex 提供的 RLock 只能用于 critical section 没有对 shared variable 进行写的情况,但是记住要始终谨慎对待,因为有很多隐式的对 shared variable 的修改不是很容易察觉,比如其它调用函数的读取计数器等。

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