Go语言的Mutex

news2024/12/23 23:12:18

在本教程中，我们将了解互斥体。我们还将学习如何使用互斥体和通道解决竞争条件。

关键部分

在跳转到互斥体之前，了解并发编程中临界区的概念非常重要。当程序并发运行时，修改共享资源的代码部分不应被多个Goroutines同时访问。这部分修改共享资源的代码称为临界区。例如，假设有一段代码将变量 x 加 1。

x = x + 1

只要上面的代码是由单个 Goroutine 访问的，就不会有任何问题。

让我们看看为什么当有多个 Goroutines 并发运行时这段代码会失败。为了简单起见，我们假设有 2 个 Goroutine 同时运行上面的代码行。

在内部，系统将按以下步骤执行上述代码行（还有更多涉及寄存器、加法工作原理等技术细节，但为了本教程，我们假设是下面三个步骤），

获取 x 的当前值
计算 x + 1
将步骤 2 中的计算值赋给 x

当这三个步骤仅由一个 Goroutine 执行时，一切都很好。

让我们讨论一下当 2 个 Goroutine 同时运行这段代码时会发生什么。下图描述了当两个 Goroutine 同时访问代码行时可能发生的一种情况x = x + 1。

临界区

我们假设 x 的初始值为 0。Goroutine 1获取 x 的初始值0，计算 x + 1，在将计算值分配给 x 之前，系统上下文切换到Goroutine 2。现在Goroutine 2获取x其初始值为l 0，进行计算x + 1。之后，系统上下文再次切换到Goroutine 1。现在Goroutine 1将其计算值1赋给x，因此 x 变为 1。然后Goroutine 2再次开始执行，然后将其计算值1赋给x ，因此1是x在个2Goroutine 执行之后的结果

现在让我们看看可能发生的不同情况。

临界区

在上述场景中，Goroutine 1开始执行并完成所有三个步骤，因此 x 的值变为1。然后Goroutine 2开始执行。此时 x的值为1，Goroutine 2执行完毕后，的x值为2。

所以从这两种情况，你可以看到x的最终值是1或2取决于上下文切换是如何发生的。这种程序的输出结果取决于 Goroutine 的执行顺序称为**竞争条件**。

在上述场景中，如果在任何时间点只允许一个 Goroutine 访问代码的关键部分，则可以避免竞争条件。这是通过使用互斥体来实现的。

Mutex

Mutex 用于提供一种锁定机制，以确保在任何时间点只有一个 Goroutine 运行代码的关键部分，以防止竞争条件的发生。

[sync](https://golang.org/pkg/sync/)包中可用。Mutex上定义了两种方法，即Lock和Unlock。调用之间存在的任何代码将仅由一个 Goroutine 执行，从而避免竞争条件

mutex.Lock()  
x = x + 1  
mutex.Unlock()

在上面的代码中，x = x + 1在任何时间点都只会由一个 Goroutine 执行，从而防止竞争情况。

如果一个 Goroutine 已经持有锁，并且新的 Goroutine 正在尝试获取锁，则新的 Goroutine 将被阻塞，直到互斥锁被解锁。

具有竞争条件的程序

在本节中，我们将编写一个具有竞争条件的程序，在接下来的部分中，我们将修复竞争条件。

package main  
import (  
    "fmt"
    "sync"
    )
var x  = 0  
func increment(wg *sync.WaitGroup) {  
    x = x + 1
    wg.Done()
}
func main() {  
    var w sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        w.Add(1)        
        go increment(&w)
    }
    w.Wait()
    fmt.Println("final value of x", x)
}

在上面的程序中，increment的函数x增加1，然后调用WaitGroup的Done()通知其完成。

我们从第 10 行生成 1000 个Goroutine。这些 Goroutine 中的每一个都同时运行，当尝试x增加1 时，就会出现竞争条件。因为多个 Goroutine 尝试同时访问 x 的值。

您可以看到由于竞争条件，每次的输出都会不同。我遇到的一些输出是

final value of x 981
final value of x 980

使用Mutex解决竞争条件

在上面的程序中，我们生成了 1000 个 Goroutines。如果每次将 x 的值增加 1，则 x 的最终所需值应为 1000。在本节中，我们将使用互斥体修复上述程序中的竞争条件。

package main  
import (  
    "fmt"
    "sync"
    )
var x  = 0  
func increment(wg *sync.WaitGroup, m *sync.Mutex) {  
    m.Lock()
    x = x + 1
    m.Unlock()
    wg.Done()   
}
func main() {  
    var w sync.WaitGroup
    var m sync.Mutex
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        w.Add(1)        
        go increment(&w, &m)
    }
    w.Wait()
    fmt.Println("final value of x", x)
}

Run in playground

Mutex是一种结构类型，我们创建了一个Mutex类型的零值变量m。在上面的程序中，我们更改了increment函数，使 x 递增的代码x = x + 1位于m.Lock()和 m.Unlock()之间。现在这段代码没有任何竞争条件，因为在任何时间点都只允许一个 Goroutine 执行这段代码。

现在如果运行这个程序，它将输出

final value of x 1000

在第 21 行传递互斥锁的地址非常重要。如果互斥量是按值传递而不是地址传递，则每个 Goroutine 将拥有自己的互斥量副本，并且竞争条件仍然会发生。

使用通道解决竞争条件

我们也可以使用通道来解决竞争条件。让我们看看这是如何完成的。

package main  
import (  
    "fmt"
    "sync"
    )
var x  = 0  
func increment(wg *sync.WaitGroup, ch chan bool) {  
    ch <- true
    x = x + 1
    <- ch
    wg.Done()   
}
func main() {  
    var w sync.WaitGroup
    ch := make(chan bool, 1)
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        w.Add(1)        
        go increment(&w, ch)
    }
    w.Wait()
    fmt.Println("final value of x", x)
}

Run in playground

在上面的程序中，我们创建了一个容量为1的缓冲通道，并将其传递给increment。这个缓冲通道用于确保只有一个 Goroutine 访问递增 x 的代码的关键部分。通过缓冲通道传递true到完成的。冲通道的容量为1，所有其他试图写入该通道的 Goroutine 都会被阻塞，直到在第 1 3行读出。实际上，这仅允许一个 Goroutine 访问临界区。

该程序还打印