初见 Go Mutex

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前言

在学习操作系统的时候，我们应该都学习过临界区、互斥锁这些概念，用于在并发环境下保证状态的正确性。比如在秒杀时，100 个用户同时抢 10 个电脑，为了避免少卖或者超卖，就需要使用锁来进行并发控制。 在 Go语言 里面互斥锁是 sync.Mutex ，我们本篇文章就来学习下为什么要使用互斥锁、如何使用互斥锁，以及使用时的常见问题。

为什么要使用互斥锁

我们来看一个示例：我们起了 10000 个协程将变量 num 加1，因此肯定会存在并发，如果我们不控制并发，10000 个协程都执行完后，该变量的值很大概率不等于 10000。

那么为什么会出现这个问题呢，原因是 num++ 不是原子操作，它会先读取变量 num 当前值，然后对这个值 加1，再把结果保存到 num 中。例如 10 个 goroutine 同时运行到 num++ 这一行，可能同时读取 num=1000，都加1后再保存， num=1001，这就与想要的结果不符。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    num := 0

    var wg sync.WaitGroup
    threadCount := 10000
    wg.Add(threadCount)
  
    for i := 0; i < threadCount; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            num++
        }()
    }
  
    wg.Wait() // 等待 10000 个协程都执行完
  fmt.Println(num) // 9388(每次都可能不一样)

}

互斥锁示意图

我们如果使用了互斥锁，可以保证每次进入临界区的只有一个 goroutine，一个 goroutine 执行完后，另一个 goroutine 才能进入临界区执行，最终就实现了并发控制。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

func main() {
    num := 0
    var mutex sync.Mutex  // 互斥锁

    var wg sync.WaitGroup
    threadCount := 10000
    wg.Add(threadCount)
    for i := 0; i < threadCount; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            
            mutex.Lock() // 加锁
            num++ // 临界区
            mutex.Unlock() // 解锁
            
        }()
    }

    wg.Wait()
    fmt.Println(num) // 10000

}

如何使用互斥锁

Mutex 保持 Go 一贯的简洁风格，开箱即用，声明一个变量默认是没有加锁的，加锁使用 Lock() 方法，解锁使用 Unlock() 方法。

使用方式一：直接声明使用

这个在上例中已经体现了，直接看上面的例子就好

使用方式二：封装在其他结构体中

我们可以将 Mutex 封装在 struct 中，封装成线程安全的函数供外部调用。比如我们封装了一个线程安全的计数器，调用 Add() 就加一，调用Count() 返回计数器的值。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)


type Counter struct {
    num   int
    mutex sync.Mutex
}

// 加一操作，涉及到临界区 num，加锁解锁
func (counter *Counter) Add() {
    counter.mutex.Lock()
    defer counter.mutex.Unlock()
    counter.num++
}

// 返回数量，涉及到临界区 num，加锁解锁
func (counter *Counter) Count() int {
    counter.mutex.Lock()
    defer counter.mutex.Unlock()
    return counter.num
}

func main() {
    threadCount := 10000
  
    var counter Counter
    var wg sync.WaitGroup
    
    wg.Add(threadCount)
    for i := 0; i < threadCount; i++ {
        go func() {
            defer wg.Done()
            counter.Add()
        }()
    }

    wg.Wait() // 等待所有 goroutine 都执行完
    fmt.Println(counter.Count()) // 10000

}

在 Go 中，map 结构是不支持并发的，如果并发读写就会 panic

// 运行会 panic，提示 fatal error: concurrent map writes
func main() {
    m := make(map[string]string)
    var wait sync.WaitGroup
    wait.Add(1000)

    for i := 0; i < 1000; i++ {
        item := fmt.Sprintf("%d", i)
        go func() {
            wait.Done()
            m[item] = item
        }()
    }
    wait.Wait()
}

基于 Mutex ，我们可以实现一个线程安全的 map：

import (
    "fmt"
    "sync"
)

type ConcurrentMap struct {
    mutex sync.Mutex
    items map[string]interface{}
}

func (c *ConcurrentMap) Add(key string, value interface{}) {
    c.mutex.Lock()
    defer c.mutex.Unlock()
    c.items[key] = value
}

func (c *ConcurrentMap) Remove(key string) {
    c.mutex.Lock()
    defer c.mutex.Unlock()
    delete(c.items, key)
}
func (c *ConcurrentMap) Get(key string) interface{} {
    c.mutex.Lock()
    defer c.mutex.Unlock()
    return c.items[key]
}

func NewConcurrentMap() ConcurrentMap {
    return ConcurrentMap{
        items: make(map[string]interface{}),
    }
}

func main() {
    m := NewConcurrentMap()
    var wait sync.WaitGroup
    wait.Add(1000)

    for i := 0; i < 1000; i++ {
        item := fmt.Sprintf("%d", i)
        go func() {
            wait.Done()
            m.Add(item, item)
        }()
    }
    wait.Wait()
    fmt.Println(m.Get("100")) // 100
}

当然，基于互斥锁 Mutex 实现的线程安全 map 并不是性能最好的，基于读写锁 sync.RWMutex 和 分片 可以实现性能更好的、线程安全的 map，开发中比较常用的并发安全 map 是 orcaman / concurrent-map。

互斥锁的常见问题

从上面可以看出，Mutex 的使用过程方法比较简单，但还是有几点需要注意：

1. Mutex 是可以在 goroutine A 中加锁，在 goroutine B 中解锁的，但是在实际使用中，尽量保证在同一个 goroutine 中加解锁。比如 goroutine A 申请到了锁，在处理临界区资源的时候，goroutine B 把锁释放了，但是 A 以为自己还持有锁，会继续处理临界区资源，就可能会出现问题。

2. Mutex 的加锁解锁基本都是成对出现，为了解决忘记解锁，可以使用 defer 语句，在加锁后直接 defer mutex.Unlock()；但是如果处理完临界区资源后还有很多耗时操作，为了尽早释放锁，不建议使用 defer，而是在处理完临界区资源后就调用 mutex.Unlock() 尽早释放锁。

// 逻辑复杂，可能会忘记释放锁
func main() {
    var mutex sync.Mutex
    mutex.Lock()

    if *** {
        if *** {
            // 处理临界区资源
            mutex.Unlock()
            return
        }
        // 处理临界区资源
        mutex.Unlock()
        return
    }

    // 处理临界区资源
    mutex.Unlock()
    return
}


// 避免逻辑复杂忘记释放锁，使用 defer语句，成对出现
func main() {
    var mutex sync.Mutex
    mutex.Lock()
    defer mutex.Unlock()

    if *** {
        if *** {
            // 处理临界区资源
            return
        }
        // 处理临界区资源
        return
    }

    // 处理临界区资源
    return
}

3. Mutex 不能复制使用

Mutex 是有状态的，比如我们对一个 Mutex 加锁后，再进行复制操作，会把当前的加锁状态也给复制过去，基于加锁的 Mutex 再加锁肯定不会成功。进行复制操作可能听起来是一个比较低级的错误，但是无意间可能就会犯这种错误。

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

type Counter struct {
    mutex sync.Mutex
    num   int
}

func SomeFunc(c Counter) {
    c.mutex.Lock()
    defer c.mutex.Unlock()
    c.num--
}

func main() {
    var counter Counter
    counter.mutex.Lock()
    defer counter.mutex.Unlock()

    counter.num++
    // Go都是值传递，这里复制了 counter，此时 counter.mutex 是加锁状态，在 SomeFunc 无法再次加锁，就会一直等待
    SomeFunc(counter)

}

总结

本篇文章我们简单学习了下 sync.Mutex 的使用方式，以及可能会踩坑的问题，先学着用起来，下篇文章我们一起看源码！

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