GO的锁和原子操作的示例详解

时间:2023-03-23 阿兵云原生人气:0

GO的锁和原子操作分享

上次我们说到协程，我们再来回顾一下：

协程类似线程，是一种更为轻量级的调度单位
线程是系统级实现的，常见的调度方法是时间片轮转法
协程是应用软件级实现，原理与线程类似
协程的调度基于 GPM 模型实现

要是对协程的使用感兴趣的话，可以看看这篇文章简单了解一下瞅一眼就会使用GO的并发编程分享

今天我们来聊聊GO里面的锁

锁是什么

锁是用于解决隔离性的一种机制

某个协程（线程）在访问某个资源时先锁住，防止其它协程的访问，等访问完毕解锁后其他协程再来加锁进行访问

在我们生活中，我们应该不会陌生，锁是这样的

本意是指置于可启闭的器物上，以钥匙或暗码开启，引申义是用锁锁住、封闭

生活中用到的锁

上锁基本是为了防止外人进来、防止自己财物被盗

编程语言中的锁

锁的种类更是多种多样，每种锁的加锁开销以及应用场景也不尽相同

锁是用来做什么的

用来控制各个协程的同步，防止资源竞争导致错乱问题

在高并发的场景下，如果选对了合适的锁，则会大大提高系统的性能，否则性能会降低。

那么知道各种锁的开销，以及应用场景很有必要

GO中的锁有哪些？

互斥锁
读写锁

我们在编码中会存在多个 goroutine 协程同时操作一个资源（临界区），这种情况会发生竞态问题（数据竞态）

举一个生活中的例子

生活中最明显的例子就是，大家抢着上厕所，资源有限，只能一个一个的用

举一个编码中的例子

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

// 全局变量
var num int64
var wg sync.WaitGroup

func add() {
	for i := 0; i < 10000000; i++ {
		num = num + 1
	}
	// 协程退出， 记录 -1
	wg.Done()
}
func main() {
	// 启动2个协程，记录 2
	wg.Add(2)

	go add()
	go add()

	// 等待子协程退出
	wg.Wait()
	fmt.Println(num)
}

按照上述代码，我们的输出结果应该是 20000000，每一个协程计算 10000000 次，可是实际结果却是

10378923

每一次计算的结果还不一样，出现这个问题的原因就是上述提到的资源竞争

两个 goroutine 协程在访问和修改num变量，会存在2个协程同时对num+1 ，最终num 总共只加了 1 ，而不是 2

这就导致最后的结果与期待的不符，那么我们如何解决呢？

我们当然是用锁控制同步了，保证各自协程在操作临界区资源的时候，先确实是否拿到锁，只有拿到锁了才能进行对临界区资源的修改

先来看看互斥锁

互斥锁

互斥锁的简单理解就像上述我们讲到上厕所的案例一样，同一时间点，只能有一个人在使用其他人只能排队等待

在编程中，引入了对象互斥锁的概念，来保证共享数据操作的完整性

每个对象都对应于一个可称为互斥锁的标记，这个标记用来保证在任一时刻，只能有一个协程访问该对象。

应用场景

写大于读操作的

它代表的资源就是一个，不管是读者还是写者，只要谁拥有了它，那么其他人就只有等待解锁后

我们来使用互斥锁解决上述的问题

互斥锁 - 解决问题

互斥锁是一种常用的控制共享资源访问的方法，它能够保证同时只有一个 goroutine 协程可以访问共享资源

Go 中使用到如下 1个知识点来解决

sync包 的 Mutex类型 来实现互斥锁

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

// 全局变量
var num int64
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex

func add() {
   for i := 0; i < 10000000; i++ {
      // 访问资源前  加锁
      lock.Lock()
      num = num + 1
      // 访问资源后  解锁
      lock.Unlock()
   }
   // 协程退出， 记录 -1
   wg.Done()
}
func main() {
   // 启动2个协程，记录 2
   wg.Add(2)

   go add()
   go add()

   // 等待子协程退出
   wg.Wait()
   fmt.Println(num)
}

执行上述代码，我们能看到，输出的结果与我们预期的一致

20000000

使用互斥锁能够保证同一时间有且只有一个goroutine 协程进入临界区，其他的goroutine则在等待锁

当互斥锁释放后，等待的 goroutine 协程才可以获取锁进入临界区

如何知道哪一个协程是先被唤醒呢？

可是，多个goroutine 协程同时等待一个锁时，如何知道哪一个协程是先被唤醒呢？

互斥锁这里的唤醒的策略是随机的，并不知道到底是先唤醒谁

读写锁

为什么有了互斥锁，还要读写锁呢？

很明显就是互斥锁不能满足所有的应用场景，就催生出了读写锁，我们细细道来

互斥锁是完全互斥的，不管协程是读临界区资源还是写临界区资源，都必须要拿到锁，否则就无法操作（这个限制太死了对吗)

可是在我们实际的应用场景下是读多写少

若我们并发的去读取一个资源，且不对资源做任何修改的时候如果也要加锁才能读取数据，是不是就很没有必要呢

这种场景下读写锁就发挥作用了，他就相对灵活了，也很好的解决了读多写少的场景问题

读写锁的种类

读锁
写锁

当一个goroutine 协程获取读锁之后，其他的 goroutine 协程如果是获取读锁会继续获得锁

可如果是获取写锁就必须等待

当一个 goroutine 协程获取写锁之后，其他的goroutine 协程无论是获取读锁还是写锁都会等待

我们先来写一个读写锁的DEMO

Go 中使用到如下 1个知识点来解决

sync包 的 RWMutex类型 来实现读写锁

package main

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

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

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

   // 加写锁
   rwlock.Lock()

   num = num + 1
   // 模拟真实写数据消耗的时间
   time.Sleep(10 * time.Millisecond)

   // 解写锁
   rwlock.Unlock()

   // 解互斥锁
   // lock.Unlock()

   // 退出协程前 记录 -1
   wg.Done()
}

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

   // 加读锁
   rwlock.RLock()

   // 模拟真实读取数据消耗的时间
   time.Sleep(time.Millisecond)

   // 解读锁
   rwlock.RUnlock()

   // 解互斥锁
   // lock.Unlock()

   // 退出协程前 记录 -1
   wg.Done()
}

func main() {
   // 用于计算时间 消耗
   start := time.Now()

   // 开5个协程用作 写
   for i := 0; i < 5; i++ {
      wg.Add(1)
      go write()
   }

   // 开500 个协程，用作读
   for i := 0; i < 1000; i++ {
      wg.Add(1)
      go read()
   }

   // 等待子协程退出
   wg.Wait()
   end := time.Now()

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

我们开5个协程用于写，开1000个协程用于读，使用读写锁加锁，结果耗时 54.4871ms 如下

54.4871ms

如果我们将上述代码修改成加互斥锁，运行之后的结果是 1.7750029s 如下

1.7750029s

是不是结果相差很大呢，对于不同的场景应用不同的锁，对于我们的程序性能影响也是很大，当然上述结果，若读协程，和写协程的个数差距越大，结果就会越悬殊

我们总结一下这一小块的逻辑：

写者是排他性的，一个读写锁同时只能有一个写者或多个读者
不能同时既有读者又有写者
如果读写锁当前没有读者，也没有写者，那么写者可以立刻获得读写锁，否则它必须自旋在那里，直到没有任何写者或读者。
如果读写锁没有写者，那么读者可以立即获得该读写锁，否则读者必须自旋在那里，直到写者释放该读写锁。

上述提了自旋锁，我们来简单解释一下，什么是自旋锁

自旋锁是专为防止多处理器并发而引入的一种锁，它在内核中大量应用于中断处理等部分（对于单处理器来说，防止中断处理中的并发可简单采用关闭中断的方式，即在标志寄存器中关闭/打开中断标志位，不需要自旋锁）。

简单来说，在并发过程中，若其中一个协程拿不到锁，他会不停的去尝试拿锁，不停的去看能不能拿，而不是阻塞睡眠

自旋锁和互斥锁的区别

互斥锁

当拿不到锁的时候，会阻塞等待，会睡眠，等待锁释放后被唤醒

自旋锁

当拿不到锁的时候，会在原地不停的看能不能拿到锁，所以叫做自旋，他不会阻塞，不会睡眠

如何选择锁

对于 C/C++ 而言

若加锁后的业务操作消耗，大于互斥锁阻塞后切换上下文的消耗，那么就选择互斥锁
若加锁后的业务操作消耗，小于互斥锁阻塞后切换上下文的消耗，那么选择自旋锁

对于 GO 而言

若写的频次大大的多余读的频次，那么选择互斥锁
若读的频次大大的多余写的频次，那么选择读写锁

我们都是对自身要求比较高的同学，那么有没有比锁还好用的东西呢？

自然是有的，我们来看看原子操作

啥是原子操作

"原子操作(atomic operation)是不需要synchronized"，这是多线程编程的老生常谈了。所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作

这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。

原子操作的特性：

原子操作是不可分割的，在执行完毕之前不会被任何其它任务或事件中断

上述我们的加锁案例，咱们编码中的加锁操作会涉及内核态的上下文切换会比较耗时、代价比较高

针对基本的数据类型我们还可以使用原子操作来保证并发安全

因为原子操作是Go语言提供的方法它在用户态就可以完成，因此性能比加锁操作更好

不用我们自己写汇编，这里 GO 也提供了原子操作的包，供我们一起来使用 sync/atomic

我们对上述的案例做一个延伸

package main

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

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

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

// 互斥锁版加函数
func mutexAdd() {
	l.Lock()
	num = num + 1
	l.Unlock()
	wg.Done()
}

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

func main() {
	// 目的是 记录程序消耗时间
	start := time.Now()
	for i := 0; i < 20000; i++ {

		wg.Add(1)

		// go add()       // 无锁的  add函数 不是并发安全的
		// go mutexAdd()  // 互斥锁的 add函数 是并发安全的，因为拿不到互斥锁会阻塞，所以加锁性能开销大

		go atomicAdd()    // 原子操作的 add函数 是并发安全，性能优于加锁的
	}

	// 等待子协程 退出
	wg.Wait()

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

我们使用上述 demo 代码，模拟了3种情况下，程序的耗时以及计算结果对比

不加锁

无锁的 add函数不是并发安全的

19495
11.9474ms

加互斥锁

互斥锁的 add函数是并发安全的，因为拿不到互斥锁会阻塞，所以加锁性能开销大

20000
14.9586ms

使用原子操作

原子操作的 add函数是并发安全，性能优于加锁的

20000
9.9726ms

总结

分享了锁是什么，用来做什么
分享了互斥锁，读写锁，以及其区别和应用场景
分享了原子操作
大家感兴趣可以去看看锁的实现，里面也是有使用原子操作

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