Go RWMutex:高并发读多写少场景下的性能优化利器
前言
在这篇文章 Go Mutex:保护并发访问共享资源的利器 中,主要介绍了 Go
语言中互斥锁 Mutex
的概念、对应的字段与方法、基本使用和易错场景,最后基于 Mutex
实现一个简单的协程安全的缓存。而本文,我们来看看另一个更高效的 Go
并发原语,RWMutex
。
准备好了吗?喝一杯你最喜欢的饮料,随着文章一起进入 RWMutex
令人兴奋的世界!
说明:本文使用的代码基于的 Go 版本:1.20.1
RWMutex
读写互斥锁是一种同步原语,它允许多个协程同时访问共享资源,同时确保一次只有一个协程可以修改资源。相较于互斥锁,读写互斥锁在读操作比写操作更频繁的情况下,可以带来更好的性能表现。
在 Go
语言中,RWMutex
是一种读写互斥锁的实现,它提供了一种简单有效的方式来管理对共享资源的并发访问。它提供了两种类型的锁:读锁 和 写锁。
-
1、读锁(
RLock()
、TryRLock()
和RUnlock()
方法)RWMutex
的读锁是一种共享锁,当一个协程获取了读锁后,其他协程也可以同时获取读锁,从而允许并发的读操作。 -
2、写锁(
Lock()
、TryLock()
和Unlock()
方法)RWMutex
的写锁是一种独占锁,当一个协程获取了写锁后,其他协程无法获取读锁或写锁,直到该协程释放写锁。在写锁未被释放之前,任何想要获取读锁或写锁的goroutine
都会被阻塞。
RWMutex 结构体介绍
type RWMutex struct {
w Mutex
writerSem uint32 // 写操作等待者
readerSem uint32 // 读操作等待者
readerCount atomic.Int32 // 持有读锁的 goroutine 数量
readerWait atomic.Int32 // 请求写锁时,需要等待完成的读锁数量
}
RWMutex
由以下字段组成:
w
: 为互斥锁,用于实现写操作之间的互斥。writerSem
:写操作的信号量。当有goroutine
请求写操作时,如果有其他的goroutine
正在执行读操作,则请求写操作的goroutine
将会被阻塞,直到所有的读操作完成后,通过writerSem
信号量解除阻塞。readerSem
:读操作的信号量。当有goroutine
请求读操作时,如果此时存在写操作,则请求读操作的goroutine
将会被阻塞,直到写操作执行完成后,通过readerSem
信号量解除阻塞并继续执行。readerCount
:读操作的goroutine
数量,当readerCount
为正数时,表示有一个或多个读操作正在执行,如果readerCount
的值为负数,说明有写操作正在等待。readerWait
:写操作的goroutine
等待读操作完成的数量。当一个写操作请求执行时,如果此时有一个或多个读操作正在执行,则会将读操作的数量记录到readerWait
中,并阻塞写操作所在的goroutine
。写操作所在的goroutine
会一直阻塞,直到正在执行的所有读操作完成,此时readerWait
的值将被更新为0
,并且写操作所在的goroutine
将被唤醒。
RWMutex
常用方法:
Lock()
:获取写锁,拥有写操作的权限;如果读操作正在执行,此方法将会阻塞,直到所有的读操作执行结束。Unlock()
:释放写锁,并唤醒其他请求读锁的goroutine
。TryLock()
:尝试获取写锁,如果获取成功,返回true
,否则返回false
,不存在阻塞的情况。RLock()
:获取读锁,读锁是共享锁,可以被多个goroutine
获取,但是如果有写操作正在执行或等待执行时,此方法将会阻塞,直到写操作执行结束。RUnlock()
:释放读锁,如果所有读操作都结束并且有等待执行的写操作,则会唤醒对应的goroutine
。TryRlock()
:尝试获取读锁,如果获取成功,返回true
,否则返回false
,不存在阻塞的情况。
简单读写场景示例
package main
import (
"fmt"
"sync"
"time"
)
type Counter struct {
value int
rwMutex sync.RWMutex
}
func (c *Counter) GetValue() int {
c.rwMutex.RLock()
defer c.rwMutex.RUnlock()
return c.value
}
func (c *Counter) Increment() {
c.rwMutex.Lock()
defer c.rwMutex.Unlock()
c.value++
}
func main() {
counter := Counter{value: 0}
// 读操作
for i := 0; i < 10; i++ {
go func() {
for {
fmt.Println("Value: ", counter.GetValue())
time.Sleep(time.Millisecond)
}
}()
}
// 写操作
for {
counter.Increment()
time.Sleep(time.Second)
}
}
上述代码示例中定义了一个 Counter
结构体,包含一个 value
字段和一个 sync.RWMutex
实例 rwMutex
。该结构体还实现了两个方法:GetValue()
和 Increment()
,分别用于读取 value
字段的值和对 value
字段的值加一。这两个方法在访问 value
字段时,使用了读写锁来保证并发安全。
在 main()
函数中,首先创建了一个 Counter
实例 counter
,然后启动了 10
个协程,每个协程会不断读取 counter
并打印到控制台上。同时,main()
函数也会不断对 counter
的 value
值加 1
,每次加 1
的操作都会休眠 1
秒钟。由于使用了读写锁,多个读操作可以同时进行,而写操作则会互斥进行,保证了并发安全。
基于 RWMutex 实现一个简单的协程安全的缓存
在 Go Mutex:保护并发访问共享资源的利器 文章中,使用了 Mutex
实现了一个简单的线程安全的缓存,但并不是最优的设计,对于缓存场景,读操作比写操作更频繁,因此使用 RWMutex
代替 Mutex
会更好。
import "sync"
type Cache struct {
data map[string]any
rwMutex sync.RWMutex
}
func NewCache() *Cache {
return &Cache{
data: make(map[string]any),
}
}
func (c *Cache) Get(key string) (any, bool) {
c.rwMutex.RLock()
defer c.rwMutex.RUnlock()
value, ok := c.data[key]
return value, ok
}
func (c *Cache) Set(key string, value any) {
c.rwMutex.Lock()
defer c.rwMutex.Unlock()
c.data[key] = value
}
上述代码实现了一个协程安全的缓存,通过使用 RWMutex
的读写锁,保证了 Get()
方法可以被多个 goroutine
并发地执行,而且只有在读操作和写操作同时存在时才会进行互斥锁定,有效地提高了并发性能。
RWMutex 易错场景
没有正确的加锁和解锁
为了正确使用读写锁,必须正确使用锁的方法。对于读操作,必须成对使用 RLock()
和 RUnlock()
方法,否则可能会导致程序 panic
或阻塞。
例如:如果缺少 RLock()
,直接使用 RUnlock()
方法,程序将会 panic
,如果缺少 RUnlock()
方法,将会发生阻塞的形象。
同样,对于写操作,必须成对使用 Lock()
和 Unlock()
方法。
最佳实践是使用 defer
来释放锁:为了保证锁总是被释放,即使在运行时错误或提前返回的情况下,也可以在获得锁后立即使用 defer
关键字来调度相应的解锁方法。
rwMutex.RLock()
defer rwMutex.RUnlock()
// 读操作
rwMutex.Lock()
defer rwMutex.Unlock()
// 写操作
重复加锁
重复加锁操作被称为可重入操作。不同于其他一些编程语言的锁实现(例如 Java
的 ReentrantLock
),Go
的 mutex
并不支持可重入操作。
由于 RWMutex
内部是基于 Mutex
实现的写操作互斥,如果发生了重复加锁操作,就会导致死锁。这个易错场景在上篇文章中也提到了,还给出了代码示例,感兴趣的小伙伴可以去看看。
读操作内嵌写操作
当有协程执行读操作时,请求执行写操作的协程会被阻塞。如果在读操作中嵌入写操作的代码,写操作将调用 Lock()
方法,从而导致读操作和写操作之间形成相互依赖关系。在这种情况下,读操作会等待写操作完成后才能执行 RUnlock()
,而写操作则会等待读操作完成后才能被唤醒继续执行,从而导致死锁的状态。
小结
RWMutex
是 Go
中的一种读写锁实现,它通过读锁允许多个 goroutine
同时执行读操作,当有写操作请求时,必须等待所有读操作执行结束后才能执行写操作。
RWMutex
的设计采用了 Write-preferring
方案,即如果有写操作在等待执行,新来的读操作将会被阻塞,以避免写操作的饥饿问题。
根据 RWMutex
的特性,它适用于 读多写少的高并发场景,可以实现并发安全的读操作,从而减少在锁竞争中的等待时间。
虽然它能够给程序带来了性能的提升,然而,如果使用不当,就可能会导致 panic
或死锁等问题。因此,在使用 RWMutex
时需要特别小心,并避免错误的用法。
转载自:https://juejin.cn/post/7218554163051413561