深入理解 go RWMutex
在上一篇文章《深入理解 go Mutex》中，
我们已经对 go Mutex 的实现原理有了一个大致的了解，也知道了 Mutex 可以实现并发读写的安全。
今天，我们再来看看另外一种锁，RWMutex，有时候，其实我们读数据的频率要远远高于写数据的频率，
而且不同协程应该可以同时读取的，这个时候，RWMutex 就派上用场了。
RWMutex 的实现原理和 Mutex 类似，只是在 Mutex 的基础上，区分了读锁和写锁：
- 读锁：只要没有写锁，就可以获取读锁，多个协程可以同时获取读锁（可以并行读）。
- 写锁：只能有一个协程获取写锁，其他协程想获取读锁或写锁都只能等待。
下面就让我们来深入了解一下 RWMutex 的基本使用和实现原理等内容。
RWMutex 的整体模型
正如 RWMutex 的命名那样，它是区分了读锁和写锁的锁，所以我们可以从读和写两个方面来看 RWMutex 的模型。
下文中的
reader指的是进行读操作的 goroutine，writer指的是进行写操作的 goroutine。
读操作模型
我们可以用下图来表示 RWMutex 的读操作模型：
上图使用了
w.Lock，是因为RWMutex的实现中，写锁是使用Mutex来实现的。
说明：
- 读操作的时候可以同时有多个 goroutine 持有
RLock，然后进入临界区。（也就是可以并行读），上图的G1、G2和G3就是同时持有RLock的几个 goroutine。 - 在读操作的时候，如果有 goroutine 持有
RLock，那么其他 goroutine （不管是读还是写）就只能等待，直到所有持有RLock的 goroutine 释放锁。 - 也就是上图的
G4需要等待G1、G2和G3释放锁之后才能进入临界区。 - 最后，因为
G5和G6这两个协程获取锁的时机比G4晚，所以它们会在G4释放锁之后才能进入临界区。
写操作模型
我们可以用下图来表示 RWMutex 的写操作模型：
说明：
- 写操作的时候只能有一个 goroutine 持有
Lock，然后进入临界区，释放写锁之前，所有其他的 goroutine 都只能等待。 - 上图的
G1~G5表示的是按时间顺序先后获取锁的几个 goroutine。 - 上面几个 goroutine 获取锁的过程是：
G1获取写锁，进入临界区。然后G2、G3、G4和G5都在等待。G1释放写锁之后，G2和G3可以同时获取读锁，进入临界区。然后G3、G4和G5都在等待。G2和G3可以同时获取读锁，进入临界区。然后G4和G5都在等待。G2和G3释放读锁之后，G4获取写锁，进入临界区。然后G5在等待。- 最后，
G4释放写锁，G5获取读锁，进入临界区。
基本用法
RWMutex 中包含了以下的方法：
Lock：获取写锁，如果有其他 goroutine 持有读锁或写锁，那么就会阻塞等待。Unlock：释放写锁。RLock：获取读锁，如果有其他 goroutine 持有写锁，那么就会阻塞等待。RUnlock：释放读锁。
其他不常用的方法：
RLocker：返回一个读锁，该锁包含了RLock和RUnlock方法，可以用来获取读锁和释放读锁。TryLock: 尝试获取写锁，如果获取成功，返回true，否则返回false。不会阻塞等待。TryRLock: 尝试获取读锁，如果获取成功，返回true，否则返回false。不会阻塞等待。
一个简单的例子
我们可以通过下面的例子来看一下 RWMutex 的基本用法：
package mutex
import (
"sync"
"testing"
)
var config map[string]string
var mu sync.RWMutex
func TestRWMutex(t *testing.T) {
config = make(map[string]string)
// 启动 10 个 goroutine 来写
var wg1 sync.WaitGroup
wg1.Add(10)
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
set("foo", "bar")
wg1.Done()
}()
}
// 启动 100 个 goroutine 来读
var wg2 sync.WaitGroup
wg2.Add(100)
for i := 0; i < 100; i++ {
go func() {
get("foo")
wg2.Done()
}()
}
wg1.Wait()
wg2.Wait()
}
// 获取配置
func get(key string) string {
// 获取读锁，可以多个 goroutine 并发读取
mu.RLock()
defer mu.RUnlock()
if v, ok := config[key]; ok {
return v
}
return ""
}
// 设置配置
func set(key, val string) {
// 获取写锁
mu.Lock()
defer mu.Unlock()
config[key] = val
}
上面的例子中，我们启动了 10 个 goroutine 来写配置，启动了 100 个 goroutine 来读配置。 这跟我们现实开发中的场景是一样的，很多时候其实是读多写少的。 如果我们在读的时候也使用互斥锁，那么就会导致读的性能非常差，因为读操作一般都不会有副作用的，但是如果使用互斥锁，那么就只能一个一个的读了。
而如果我们使用 RWMutex，那么就可以同时有多个 goroutine 来读取配置，这样就可以大大提高读的性能。
因为我们进行读操作的时候，可以多个 goroutine 并发读取，这样就可以大大提高读的性能。
RWMutex 使用的注意事项
在《深入理解 go Mutex》中，我们已经讲过了 Mutex 的使用注意事项，
其实 RWMutex 的使用注意事项也是差不多的：
- 不要忘记释放锁，不管是读锁还是写锁。
Lock之后，没有释放锁之前，不能再次使用Lock。- 在
Unlock之前，必须已经调用了Lock，否则会panic - 在第一次使用
RWMutex之后，不能复制，因为这样一来RWMutex的状态也会被复制。这个可以使用go vet来检查。
源码剖析
RWMutex 的一些实现原理跟 Mutex 是一样的，比如阻塞的时候使用信号量等，在 Mutex 那一篇中已经有讲解了，这里不再赘述。
这里就 RWMutex 的实现原理进行一些简单的剖析。
RWMutex 结构体
RWMutex 的结构体定义如下：
type RWMutex struct {
w Mutex // 互斥锁，用于保护读写锁的状态
writerSem uint32 // writer 信号量
readerSem uint32 // reader 信号量
readerCount atomic.Int32 // 所有 reader 数量
readerWait atomic.Int32 // writer 等待完成的 reader 数量
}
各字段含义：
w：互斥锁，用于保护读写锁的状态。RWMutex的写锁是互斥锁，所以直接使用Mutex就可以了。writerSem：writer 信号量，用于实现写锁的阻塞等待。readerSem：reader 信号量，用于实现读锁的阻塞等待。readerCount：所有 reader 数量（包括已经获取读锁的和正在等待获取读锁的 reader）。readerWait：writer 等待完成的 reader 数量（也就是获取写锁的时刻，已经获取到读锁的 reader 数量）。
因为要区分读锁和写锁，所以在 RWMutex 中，我们需要两个信号量，一个用于实现写锁的阻塞等待，一个用于实现读锁的阻塞等待。
我们需要特别注意的是 readerCount 和 readerWait 这两个字段，我们可能会比较好奇，为什么有了 readerCount 这个字段，
还需要 readerWait 这个字段呢？
这是因为，我们在尝试获取写锁的时候，可能会有多个 reader 正在使用读锁，这时候我们需要知道有多少个 reader 正在使用读锁，
等待这些 reader 释放读锁之后，就获取写锁了，而 readerWait 这个字段就是用来记录这个数量的。
在 Lock 中获取写锁的时候，如果观测到 readerWait 不为 0 则会阻塞等待，直到 readerWait 为 0 之后才会真正获取写锁，然后才可以进行写操作。
读锁源码剖析
获取读锁的方法如下：
// 获取读锁
func (rw *RWMutex) RLock() {
if rw.readerCount.Add(1) < 0 {
// 有 writer 在使用锁，阻塞等待 writer 完成
runtime_SemacquireRWMutexR(&rw.readerSem, false, 0)
}
}
读锁的实现很简单，先将 readerCount 加 1，如果加 1 之后的值小于 0，说明有 writer 正在使用锁，那么就需要阻塞等待 writer 完成。
释放读锁的方法如下：
// 释放读锁
func (rw *RWMutex) RUnlock() {
// readerCount 减 1，如果 readerCount 小于 0 说明有 writer 在等待
if r := rw.readerCount.Add(-1); r < 0 {
// 有 writer 在等待，唤醒 writer
rw.rUnlockSlow(r)
}
}
// 唤醒 writer
func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
// 未 Lock 就 Unlock，panic
if r+1 == 0 || r+1 == -rwmutexMaxReaders {
fatal("sync: RUnlock of unlocked RWMutex")
}
// readerWait 减 1，返回值是新的 readerWait 值
if rw.readerWait.Add(-1) == 0 {
// 最后一个 reader 唤醒 writer
runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)
}
}
读锁的实现总结：
- 获取读锁的时候，会将
readerCount加 1 - 如果正在获取读锁的时候，发现
readerCount小于 0，说明有 writer 正在使用锁，那么就需要阻塞等待 writer 完成。 - 释放读锁的时候，会将
readerCount减 1 - 如果
readerCount减 1 之后小于 0，说明有 writer 正在等待，那么就需要唤醒 writer。 - 唤醒 writer 的时候，会将
readerWait减 1，如果readerWait减 1 之后为 0，说明 writer 获取锁的时候存在的 reader 都已经释放了读锁，可以获取写锁了。
·rwmutexMaxReaders
算是一个特殊的标识，在获取写锁的时候会将readerCount的值减去rwmutexMaxReaders， 所以在其他地方可以根据readerCount` 是否小于 0 来判断是否有 writer 正在使用锁。
写锁源码剖析
获取写锁的方法如下：
// 获取写锁
func (rw *RWMutex) Lock() {
// 首先，解决与其他写入者的竞争。
rw.w.Lock()
// 向读者宣布有一个待处理的写入。
// r 就是当前还没有完成的读操作，等这部分读操作完成之后才可以获取写锁。
r := rw.readerCount.Add(-rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
// 等待活跃的 reader
if r != 0 && rw.readerWait.Add(r) != 0 {
// 阻塞，等待最后一个 reader 唤醒
runtime_SemacquireRWMutex(&rw.writerSem, false, 0)
}
}
释放写锁的方法如下：
// 释放写锁
func (rw *RWMutex) Unlock() {
// 向 readers 宣布没有活动的 writer。
r := rw.readerCount.Add(rwmutexMaxReaders)
if r >= rwmutexMaxReaders { // r >= 0 并且 < rwmutexMaxReaders 才是正常的（r 是持有写锁期间尝试获取读锁的 reader 数量）
fatal("sync: Unlock of unlocked RWMutex")
}
// 如果有 reader 在等待写锁释放，那么唤醒这些 reader。
for i := 0; i < int(r); i++ {
runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)
}
// 允许其他的 writer 继续进行。
rw.w.Unlock()
}
写锁的实现总结：
- 获取写锁的时候，会将
readerCount减去rwmutexMaxReaders，这样就可以区分读锁和写锁了。 - 如果
readerCount减去rwmutexMaxReaders之后不为 0，说明有 reader 正在使用读锁，那么就需要阻塞等待这些 reader 释放读锁。 - 释放写锁的时候，会将
readerCount加上rwmutexMaxReaders。 - 如果
readerCount加上rwmutexMaxReaders之后大于 0，说明有 reader 正在等待写锁释放，那么就需要唤醒这些 reader。
TryRLock 和 TryLock
TryRLock 和 TryLock 的实现都很简单，都是尝试获取读锁或者写锁，如果获取不到就返回 false，获取到了就返回 true，这两个方法不会阻塞等待。
// TryRLock 尝试锁定 rw 以进行读取，并报告是否成功。
func (rw *RWMutex) TryRLock() bool {
for {
c := rw.readerCount.Load()
// 有 goroutine 持有写锁
if c < 0 {
return false
}
// 尝试获取读锁
if rw.readerCount.CompareAndSwap(c, c+1) {
return true
}
}
}
// TryLock 尝试锁定 rw 以进行写入，并报告是否成功。
func (rw *RWMutex) TryLock() bool {
// 写锁被占用
if !rw.w.TryLock() {
return false
}
// 读锁被占用
if !rw.readerCount.CompareAndSwap(0, -rwmutexMaxReaders) {
// 释放写锁
rw.w.Unlock()
return false
}
// 成功获取到锁
return true
}
总结
RWMutex 使用起来比较简单，相比 Mutex 而言，它区分了读锁和写锁，可以提高并发性能。最后，总结一下本文内容：
RWMutex有两种锁：读锁和写锁。- 读锁可以被多个 goroutine 同时持有，写锁只能被一个 goroutine 持有。也就是可以并发读，但只能互斥写。
- 写锁被占用的时候，其他的读和写操作都会被阻塞。读锁被占用的时候，其他的写操作会被阻塞，但是读操作不会被阻塞。除非读操作发生在一个新的写操作之后。
RWMutex包含以下几个方法：Lock：获取写锁，如果有其他的写锁或者读锁被占用，那么就会阻塞等待。Unlock：释放写锁。RLock：获取读锁，如果写锁被占用，那么就会阻塞等待。RUnlock：释放读锁。
- 也包含了两个非阻塞的方法：
TryLock：尝试获取写锁，如果获取不到就返回false，获取到了就返回true。TryRLock：尝试获取读锁，如果获取不到就返回false，获取到了就返回true。
RWMutex使用的注意事项跟Mutex差不多：- 使用之后不能复制
Unlock之前需要有Lock调用，否则panic，RUnlock之前需要有RLock调用，否则panic。- 不要忘记使用
Unlock和RUnlock释放锁。
RWMutex的实现：- 写锁还是使用
Mutex来实现。 - 获取读锁和写锁的时候，如果获取不到都会阻塞等待，直到被唤醒。
- 获取写锁的时候，会将
readerCount减去rwmutexMaxReaders，这样就可以直到有写锁被占用。释放写锁的时候，会将readerCount加上rwmutexMaxReaders。 - 获取写锁的时候，如果还有读操作未完成，那么这一次获取写锁只会等待这部分未完成的读操作完成。所有后续的操作只能等待这一次写锁释放。
- 写锁还是使用
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