锁
前面我们为了解决协程同步的问题我们使用了channel,但是GO也提供了传统的同步工具。
它们都在GO的标准库代码包sync和sync/atomic中。
下面我们看一下锁的应用。
什么是锁呢?就是某个协程(线程)在访问某个资源时先锁住,防止其它协程的访问,等访问完毕解锁后其他协程再来加锁进行访问。这和我们生活中加锁使用公共资源相似,例如:公共卫生间。
死锁
死锁是指两个或两个以上的进程在执行过程中,由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象,若无外力作用,它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁,
示例代码:
package main import "fmt" func main() { ch := make(chan int) ch <- 1 // I'm blocked because there is no channel read yet. fmt.Println("send") go func() { <-ch // I will never be called for the main routine is blocked! fmt.Println("received") }() fmt.Println("over") }
总结:
1. 同一个goroutine中,使用同一个 channel 读写。
2. 2个 以上的go程中, 使用同一个 channel 通信。 读写channel 先于 go程创建。
3. 2个以上的go程中,使用多个 channel 通信。 A go 程 获取channel 1 的同时,尝试使用channel 2, 同一时刻,
B go 程 获取channel 2 的同时,尝试使用channel 1
4. 在go语言中, channel 和 读写锁、互斥锁 尽量避免交叉混用。――“隐形死锁”。如果必须使用。推荐借助“条件变量”
互斥锁
每个资源都对应于一个可称为 "互斥锁" 的标记,这个标记用来保证在任意时刻,只能有一个协程(线程)访问该资源。其它的协程只能等待。
互斥锁是传统并发编程对共享资源进行访问控制的主要手段,它由标准库sync中的Mutex结构体类型表示。sync.Mutex类型只有两个公开的指针方法,Lock和Unlock。Lock锁定当前的共享资源,Unlock进行解锁。
在使用互斥锁时,一定要注意:对资源操作完成后,一定要解锁,否则会出现流程执行异常,死锁等问题。通常借助defer。锁定后,立即使用defer语句保证互斥锁及时解锁。
如下所示:
var mutex sync.Mutex // 定义互斥锁变量 mutex
func write(){
mutex.Lock( )
defer mutex.Unlock( )
}
我们可以使用互斥锁来解决前面提到的多任务编程的问题,如下所示:
![](https://images.cnblogs.com/OutliningIndicators/ContractedBlock.gif)
package main import (5 "fmt" "time" "sync" ) var mutex sync.Mutex func printer(str string) { mutex.Lock() // 添加互斥锁 defer mutex.Unlock() // 使用结束时解锁 for _, data := range str { // 迭代器 fmt.Printf("%c", data) time.Sleep(time.Second) // 放大协程竞争效果 } fmt.Println() } func person1(s1 string) { printer(s1) } func person2() { printer("world") // 调函数时传参 } func main() { go person1("hello") // main 中传参 go person2() for { ; } }
程序执行结果与多任务资源竞争时一致。最终由于添加了互斥锁,可以按序先输出hello再输出 world。但这里需要我们自行创建互斥锁,并在适当的位置对锁进行释放。
总结:访问共享数据之前,加锁,加锁成功后再对共享资源进行访问。 共享数据访问结束,立即解锁。
没有加锁成功,阻塞在锁上。
读写锁
互斥锁的本质是当一个goroutine访问的时候,其他goroutine都不能访问。这样在资源同步,避免竞争的同时也降低了程序的并发性能。程序由原来的并行执行变成了串行执行。
其实,当我们对一个不会变化的数据只做“读”操作的话,是不存在资源竞争的问题的。因为数据是不变的,不管怎么读取,多少goroutine同时读取,都是可以的。
所以问题不是出在“读”上,主要是修改,也就是“写”。修改的数据要同步,这样其他goroutine才可以感知到。所以真正的互斥应该是读取和修改、修改和修改之间,读和读是没有互斥操作的必要的。
因此,衍生出另外一种锁,叫做读写锁。
读写锁可以让多个读操作并发,同时读取,但是对于写操作是完全互斥的。也就是说,当一个goroutine进行写操作的时候,其他goroutine既不能进行读操作,也不能进行写操作。
GO中的读写锁由结构体类型sync.RWMutex表示。此类型的方法集合中包含两对方法:
一组是对写操作的锁定和解锁,简称“写锁定”和“写解锁”:
func (*RWMutex)Lock()
func (*RWMutex)Unlock()
另一组表示对读操作的锁定和解锁,简称为“读锁定”与“读解锁”:
func (*RWMutex)RLock()
func (*RWMutex)RUlock()
读写锁基本示例:
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package main import ( "sync" "fmt" "math/rand" ) var count int // 全局变量count var rwlock sync.RWMutex // 全局读写锁 rwlock func read(n int) { rwlock.RLock() fmt.Printf("读 goroutine %d 正在读取数据... ", n) num := count fmt.Printf("读 goroutine %d 读取数据结束,读到 %d ", n, num) defer rwlock.RUnlock() } func write(n int) { rwlock.Lock() fmt.Printf("写 goroutine %d 正在写数据... ", n) num := rand.Intn(1000) count = num fmt.Printf("写 goroutine %d 写数据结束,写入新值 %d ", n, num) defer rwlock.Unlock() } func main() { for i:=0; i<5; i++ { go read(i+1) } for i:=0; i<5; i++ { go write(i+1) } for { ; } }
程序的执行结果:
我们在read里使用读锁,也就是RLock和RUnlock,写锁的方法名和我们平时使用的一样,是Lock和Unlock。这样,我们就使用了读写锁,可以并发地读,但是同时只能有一个写,并且写的时候不能进行读操作。
我们从结果可以看出,读取操作可以并行,例如2,3,1正在读取,但是同时只能有一个写,例如1正在写,只能等待1写完,这个过程中不允许进行其它的操作。
处于读锁定状态,那么针对它的写锁定操作将永远不会成功,且相应的Goroutine也会被一直阻塞。因为它们是互斥的。
总结:读写锁控制下的多个写操作之间都是互斥的,并且写操作与读操作之间也都是互斥的。但是,多个读操作之间不存在互斥关系。
从互斥锁和读写锁的源码可以看出,它们是同源的。读写锁的内部用互斥锁来实现写锁定操作之间的互斥。可以把读写锁看作是互斥锁的一种扩展。
总结:
读共享、写独占。 写锁优先级高。
对共享数据的保护。―― 防止出现数据混淆。 读操作,不会对共享数据进行修改。因此多个go程同时读,不会出现数据混乱。
一个读写锁, 有两种属性 r、w。 加锁锁定共享数据时,要指定 加锁属性。
var RWmutex sync.RWMutex
RWmutex.Lock() ―― 写模式加锁
RWmutex.UnLock() ―― 写模式解锁
RWmutex.RLock() ―― 读模式加锁
RWmutex.RUnLock() ―― 读模式解锁
条件变量
在讲解条件变量之前,先回顾一下前面我们所涉及的“生产者消费者模型”:
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package main import "fmt" //只写,不读。 func producer(out chan<- int) { for i:= 0; i < 10; i++ { out <- i*i } close(out) } //只读,不写 func consumer(in <-chan int) { for num := range in { fmt.Println("num = ", num) } } func main() { ch := make(chan int) // 创建一个双向channel go producer(ch) // 生产者,产生数据,写入 channel consumer(ch) // 消费者,从channel读数据,打印到屏幕 }
这个案例中,虽然实现了生产者消费者的功能,但有一个问题。如果有多个消费者来消费数据,并且并不是简单的从channel中取出来进行打印,而是还要进行一些复杂的运算。在consumer( )方法中的实现是否有问题呢?如下所示:
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package main import "fmt" import "sync" import "time" var sum int func producer(out chan<- int) { for i := 0; i < =100; i++ { out <-i } close(out); } // 此chanel 只能读,不能写 func consumer(in <-chan int) { for num := range in { sum +=num } fmt.println(“sum = ”, sum) } func main() { ch:= make(chan int) // 创建一个双向通道 go producer(ch) // 协程1,生产者,生产数字,写入channel go consumer(ch) // 协程2,消费者1 consumer(ch) // 主协程,消费者。从channel读取内容打印 for { ; } }
在上面的代码中,加了一个消费者,同时在consumer方法中,将数据取出来后,又进行了一组运算。这时可能会出现一个协程从管道中取出数据,参与加法运算,但是还没有算完另外一个协程又从管道中取出一个数据赋值给了num变量。所以这样累加计算,很有可能出现问题。当然,按照前面的知识,解决这个问题的方法很简单,就是通过加锁的方式来解决。增加生产者也是一样的道理。
另外一个问题,如果消费者比生产者多,仓库中就会出现没有数据的情况。我们需要不断的通过循环来判断仓库队列中是否有数据,这样会造成cpu的浪费。反之,如果生产者比较多,仓库很容易满,满了就不能继续添加数据,也需要循环判断仓库满这一事件,同样也会造成CPU的浪费。
我们希望当仓库满时,生产者停止生产,等待消费者消费;同理,如果仓库空了,我们希望消费者停下来等待生产者生产。为了达到这个目的,这里引入条件变量。(需要注意:如果仓库队列用channel,是不存在以上情况的,因为channel被填满后就阻塞了,或者channel中没有数据也会阻塞)。
条件变量:条件变量的作用并不保证在同一时刻仅有一个协程(线程)访问某个共享的数据资源,而是在对应的共享数据的状态发生变化时,通知阻塞在某个条件上的协程(线程)。条件变量不是锁,在并发中不能达到同步的目的,因此条件变量总是与锁一块使用。
例如,我们上面说的,如果仓库队列满了,我们可以使用条件变量让生产者对应的goroutine暂停(阻塞),但是当消费者消费了某个产品后,仓库就不再满了,应该唤醒(发送通知给)阻塞的生产者goroutine继续生产产品。
GO标准库中的sys.Cond类型代表了条件变量。条件变量要与锁(互斥锁,或者读写锁)一起使用。成员变量L代表与条件变量搭配使用的锁。
type Cond struct {
noCopy noCopy
// L is held while observing or changing the condition
L Locker
notify notifyList
checker copyChecker
}
对应的有3个常用方法,Wait,Signal,Broadcast。
1) func (c *Cond) Wait()
该函数的作用可归纳为如下三点:
a) 阻塞等待条件变量满足
b) 释放已掌握的互斥锁相当于cond.L.Unlock()。 注意:两步为一个原子操作。
c) 当被唤醒,Wait()函数返回时,解除阻塞并重新获取互斥锁。相当于cond.L.Lock()
2) func (c *Cond) Signal()
单发通知,给一个正等待(阻塞)在该条件变量上的goroutine(线程)发送通知。
3) func (c *Cond) Broadcast()
广播通知,给正在等待(阻塞)在该条件变量上的所有goroutine(线程)发送通知。
下面我们用条件变量来编写一个“生产者消费者模型”
示例代码:
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package main import "fmt" import "sync" import "math/rand" import "time" var cond sync.Cond // 创建全局条件变量 // 生产者 func producer(out chan<- int, idx int) { for { cond.L.Lock() // 条件变量对应互斥锁加锁 for len(out) == 3 { // 产品区满 等待消费者消费 cond.Wait() // 挂起当前协程, 等待条件变量满足,被消费者唤醒 } num := rand.Intn(1000) // 产生一个随机数 out <- num // 写入到 channel 中 (生产) fmt.Printf("%dth 生产者,产生数据 %3d, 公共区剩余%d个数据 ", idx, num, len(out)) cond.L.Unlock() // 生产结束,解锁互斥锁 cond.Signal() // 唤醒 阻塞的 消费者 time.Sleep(time.Second) // 生产完休息一会,给其他协程执行机会 } } //消费者 func consumer(in <-chan int, idx int) { for { cond.L.Lock() // 条件变量对应互斥锁加锁(与生产者是同一个) for len(in) == 0 { // 产品区为空 等待生产者生产 cond.Wait() // 挂起当前协程, 等待条件变量满足,被生产者唤醒 } num := <-in // 将 channel 中的数据读走 (消费) fmt.Printf("---- %dth 消费者, 消费数据 %3d,公共区剩余%d个数据 ", idx, num, len(in)) cond.L.Unlock() // 消费结束,解锁互斥锁 cond.Signal() // 唤醒 阻塞的 生产者 time.Sleep(time.Millisecond * 500) //消费完 休息一会,给其他协程执行机会 } } func main() { rand.Seed(time.Now().UnixNano()) // 设置随机数种子 quit := make(chan bool) // 创建用于结束通信的 channel product := make(chan int, 3) // 产品区(公共区)使用channel 模拟 cond.L = new(sync.Mutex) // 创建互斥锁和条件变量 for i := 0; i < 5; i++ { // 5个消费者 go producer(product, i+1) } for i := 0; i < 3; i++ { // 3个生产者 go consumer(product, i+1) } <-quit // 主协程阻塞 不结束 }
1) main函数中定义quit,其作用是让主协程阻塞。
2) 定义product作为队列,生产者产生数据保存至队列中,最多存储3个数据,消费者从中取出数据模拟消费
3) 条件变量要与锁一起使用,这里定义全局条件变量cond,它有一个属性:L Locker。是一个互斥锁。
4) 开启5个消费者协程,开启3个生产者协程。
5) producer生产者,在该方法中开启互斥锁,保证数据完整性。并且判断队列是否满,如果已满,调用wait()让该goroutine阻塞。当消费者取出数后执行cond.Signal(),会唤醒该goroutine,继续生产数据。
6) consumer消费者,同样开启互斥锁,保证数据完整性。判断队列是否为空,如果为空,调用wait()使得当前goroutine阻塞。当生产者产生数据并添加到队列,执行cond.Signal() 唤醒该goroutine。
总结
使用流程:
1. 创建 Cond 条件变量
2. 初始化条件变量 Cond.L := new(sync.Mutex)
3. 生产者:
1) 对条件变量内部锁,加锁。 Cond.L.lock()
2) 判断 是否应该阻塞 等待条件变量满足
for (len(ch)== 缓冲区容量) {
Cond.wait() 1. 阻塞 2. 解锁 --- 等待被唤醒--- 3.加锁
}
结论:判断 wait 是否调用的条件,在多生产者、消费者模型中,一定要使用 for
3) 向公共区写入数据
4) 解锁 Cond.L.Unlock()
5) 唤醒阻塞在条件变量上的 对端 ―― 消费者
Cond.signal() ---- broadcast
3. 消费者:
1) 对条件变量内部锁,加锁。 Cond.L.lock()
2) 判断 是否应该阻塞 等待条件变量满足
for(len(ch)== 0) {
Cond.wait() 1. 阻塞 2. 解锁 --- 等待被唤醒--- 3.加锁
}
结论:判断 wait 是否调用的条件,在多生产者、消费者模型中,一定要使用 for
3) 从公共区读出数据
4) 解锁 Cond.L.Unlock()
5) 唤醒阻塞在条件变量上的 对端 ―― 生产者
Cond.signal()