图解golang里面的读写锁实现与核心原理分析了解编程语言背后设计
基础筑基 读写锁的特点 读写锁区别与互斥锁的主要区别就是读锁之间是共享的，多个goroutine可以同时加读锁，但是写锁与写锁、写锁与读锁之间则是互斥的 写锁饥饿问题 因为读锁是共享的，所以如果当前已经有读锁，那后续goroutine继续加读锁正常情况下是可以加锁成功，但是如果一直有读锁进行加锁，那尝试加写锁的goroutine则可能会长期获取不到锁，这就是因为读锁而导致的写锁饥饿问题 基于高低位与等待队列的实现 在说golang之前介绍一种JAVA里面的实现，在JAVA中ReentrantReadWriteLock实现采用一个state的高低位来进行读写锁的计数，其中高16位存储读的计数，低16位存储写的计数，并配合一个AQS来实现排队等待机制，同时AQS中的每个waiter都会有一个status，用来标识自己的状态 golang的读写锁的实现 成员变量 结构体 type RWMutex struct { w Mutex // held if there are pending writers writerSem uint32 // 用于writer等待读完成排队的信号量 readerSem uint32 // 用于reader等待写完成排队的信号量 readerCount int32 // 读锁的计数器 readerWait int32 // 等待读锁释放的数量 } 写锁计数 读写锁中允许加读锁的最大数量是4294967296，在go里面对写锁的计数采用了负值进行，通过递减最大允许加读锁的数量从而进行写锁对读锁的抢占 const rwmutexMaxReaders = 1 << 30 读锁实现 读锁加锁逻辑 func (rw *RWMutex) RLock() { if race.Enabled { _ = rw.w.state race.Disable() } // 累加reader计数器，如果小于0则表明有writer正在等待 if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 { // 当前有writer正在等待读锁，读锁就加入排队 runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false) } if race.Enabled { race.Enable() race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem)) } } 读锁释放逻辑 func (rw *RWMutex) RUnlock() { if race.Enabled { _ = rw.w.state race.ReleaseMerge(unsafe.Pointer(&rw.writerSem)) race.Disable() } // 如果小于0，则表明当前有writer正在等待 if r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -1); r < 0 { if r+1 == 0 || r+1 == -rwmutexMaxReaders { race.Enable() throw("sync: RUnlock of unlocked RWMutex") } // 将等待reader的计数减1，证明当前是已经有一个读的，如果值==0，则进行唤醒等待的 if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 { // The last reader unblocks the writer. runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false) } } if race.Enabled { race.Enable() } } 写锁实现 加写锁实现 func (rw *RWMutex) Lock() { if race.Enabled { _ = rw.w.state race.Disable() } // 首先获取mutex锁，同时多个goroutine只有一个可以进入到下面的逻辑 rw.w.Lock() // 对readerCounter进行进行抢占，通过递减rwmutexMaxReaders允许最大读的数量 // 来实现写锁对读锁的抢占 r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders // 记录需要等待多少个reader完成,如果发现不为0，则表明当前有reader正在读取，当前goroutine // 需要进行排队等待 if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 { runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false) } if race.Enabled { race.Enable() race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem)) race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.writerSem)) } } 释放写锁 func (rw *RWMutex) Unlock() { if race.Enabled { _ = rw.w.state race.Release(unsafe.Pointer(&rw.readerSem)) race.Disable() } // 将reader计数器复位，上面减去了一个rwmutexMaxReaders现在再重新加回去即可复位 r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders) if r >= rwmutexMaxReaders { race.Enable() throw("sync: Unlock of unlocked RWMutex") } // 唤醒所有的读锁 for i := 0; i < int(r); i++ { runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false) } // 释放mutex rw.w.Unlock() if race.Enabled { race.Enable() } } 关键核心机制 写锁对读锁的抢占 加写锁的抢占 // 在加写锁的时候通过将readerCount递减最大允许加读锁的数量，来实现对加读锁的抢占 r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders 加读锁的抢占检测 // 如果没有写锁的情况下读锁的readerCount进行Add后一定是一个>0的数字，这里通过检测值为负数 //就实现了读锁对写锁抢占的检测 if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 { // A writer is pending, wait for it. runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false) } 写锁抢占读锁后后续的读锁就会加锁失败，但是如果想加写锁成功还要继续对已经加读锁成功的进行等待 if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 { // 写锁发现需要等待的读锁释放的数量不为0，就自己自己去休眠了 runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false) } 写锁既然休眠了，则必定要有一种唤醒机制其实就是每次释放锁的时候，当检查到有加写锁的情况下，就递减readerWait，并由最后一个释放reader lock的goroutine来实现唤醒写锁 if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 { // The last reader unblocks the writer. runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false) } 写锁的公平性 在加写锁的时候必须先进行mutex的加锁，而mutex本身在普通模式下是非公平的，只有在饥饿模式下才是公平的 rw.w.Lock() 写锁与读锁的公平性 在加读锁和写锁的工程中都使用atomic.AddInt32来进行递增，而该指令在底层是会通过LOCK来进行CPU总线加锁的，因此多个CPU同时执行readerCount其实只会有一个成功，从这上面看其实是写锁与读锁之间是相对公平的，谁先达到谁先被CPU调度执行，进行LOCK锁cache line成功，谁就加成功锁 可见性与原子性问题 在并发场景中特别是JAVA中通常会提到并发里面的两个问题：可见性与内存屏障、原子性， 其中可见性通常是指在cpu多级缓存下如何保证缓存的一致性，即在一个CPU上修改了了某个数据在其他的CPU上不会继续读取旧的数据，内存屏障通常是为了CPU为了提高流水线性能，而对指令进行重排序而来，而原子性则是指的执行某个操作的过程的不可分割 底层实现的CPU指令 go里面并没有volatile这种关键字，那如何能保证上面的AddInt32这个操作可以满足上面的两个问题呢， 其实关键就在于底层的2条指令，通过LOCK指令配合CPU的MESI协议，实现可见性和内存屏障，同时通过XADDL则用来保证原子性，从而解决上面提到的可见性与原子性问题 // atomic/asm_amd64.s TEXT runtime∕internal∕atomic·Xadd(SB) LOCK XADDL AX, 0(BX) 更多文章可以访问www.sreguide.com 本篇文章由一文多发平台ArtiPub自动发布
