[8 小時 coding] 圖解 golang 裡面的讀寫鎖實現與核心原理分析瞭解程式語言背後設計

DukeAnn發表於2020-03-05
圖解Golang

1.1 讀寫鎖的特點

讀寫鎖區別與互斥鎖的主要區別就是讀鎖之間是共享的，多個goroutine可以同時加讀鎖，但是寫鎖與寫鎖、寫鎖與讀鎖之間則是互斥的

1.2 寫鎖飢餓問題

因為讀鎖是共享的，所以如果當前已經有讀鎖，那後續goroutine繼續加讀鎖正常情況下是可以加鎖成功，但是如果一直有讀鎖進行加鎖，那嘗試加寫鎖的goroutine則可能會長期獲取不到鎖，這就是因為讀鎖而導致的寫鎖飢餓問題

1.3 基於高低位與等待佇列的實現

在說golang之前介紹一種JAVA裡面的實現，在JAVA中ReentrantReadWriteLock實現採用一個state的高低位來進行讀寫鎖的計數，其中高16位儲存讀的計數，低16位儲存寫的計數，並配合一個AQS來實現排隊等待機制，同時AQS中的每個waiter都會有一個status，用來標識自己的狀態

2.1 成員變數

2.1.1 結構體

type RWMutex struct {
    w           Mutex  // held if there are pending writers
    writerSem   uint32 // 用於writer等待讀完成排隊的訊號量
    readerSem   uint32 // 用於reader等待寫完成排隊的訊號量
    readerCount int32  // 讀鎖的計數器
    readerWait  int32  // 等待讀鎖釋放的數量
}

2.1.2 寫鎖計數

讀寫鎖中允許加讀鎖的最大數量是4294967296，在go裡面對寫鎖的計數採用了負值進行，通過遞減最大允許加讀鎖的數量從而進行寫鎖對讀鎖的搶佔

const rwmutexMaxReaders = 1 << 30

2.2 讀鎖實現

2.2.1 讀鎖加鎖邏輯

func (rw *RWMutex) RLock() {
    if race.Enabled {
        _ = rw.w.state
        race.Disable()
    }
    // 累加reader計數器，如果小於0則表明有writer正在等待
    if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
        // 當前有writer正在等待讀鎖，讀鎖就加入排隊
        runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false)
    }
    if race.Enabled {
        race.Enable()
        race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem))
    }
}

2.2.2 讀鎖釋放邏輯

func (rw *RWMutex) RUnlock() {
    if race.Enabled {
        _ = rw.w.state
        race.ReleaseMerge(unsafe.Pointer(&rw.writerSem))
        race.Disable()
    }
    // 如果小於0，則表明當前有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")
        }
        // 將等待reader的計數減1，證明當前是已經有一個讀的，如果值==0，則進行喚醒等待的
        if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {
            // The last reader unblocks the writer.
            runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false)
        }
    }
    if race.Enabled {
        race.Enable()
    }
}

2.3 寫鎖實現

2.3.1 加寫鎖實現

func (rw *RWMutex) Lock() {
    if race.Enabled {
        _ = rw.w.state
        race.Disable()
    }
    // 首先獲取mutex鎖，同時多個goroutine只有一個可以進入到下面的邏輯
    rw.w.Lock()
    // 對readerCounter進行進行搶佔，通過遞減rwmutexMaxReaders允許最大讀的數量
    // 來實現寫鎖對讀鎖的搶佔
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
    // 記錄需要等待多少個reader完成,如果發現不為0，則表明當前有reader正在讀取，當前goroutine
    // 需要進行排隊等待
    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))
    }
}

2.3.2 釋放寫鎖

func (rw *RWMutex) Unlock() {
    if race.Enabled {
        _ = rw.w.state
        race.Release(unsafe.Pointer(&rw.readerSem))
        race.Disable()
    }

    // 將reader計數器復位，上面減去了一個rwmutexMaxReaders現在再重新加回去即可復位
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)
    if r >= rwmutexMaxReaders {
        race.Enable()
        throw("sync: Unlock of unlocked RWMutex")
    }
    // 喚醒所有的讀鎖
    for i := 0; i < int(r); i++ {
        runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false)
    }
    // 釋放mutex
    rw.w.Unlock()
    if race.Enabled {
        race.Enable()
    }
}

2.5 關鍵核心機制

2.5.1 寫鎖對讀鎖的搶佔

加寫鎖的搶佔

// 在加寫鎖的時候通過將readerCount遞減最大允許加讀鎖的數量，來實現對加讀鎖的搶佔
r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders

加讀鎖的搶佔檢測

// 如果沒有寫鎖的情況下讀鎖的readerCount進行Add後一定是一個>0的數字，這裡通過檢測值為負數
//就實現了讀鎖對寫鎖搶佔的檢測
if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
    // A writer is pending, wait for it.
    runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false)
}

寫鎖搶佔讀鎖後後續的讀鎖就會加鎖失敗，但是如果想加寫鎖成功還要繼續對已經加讀鎖成功的進行等待

if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {
    // 寫鎖發現需要等待的讀鎖釋放的數量不為0，就自己自己去休眠了
    runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false)
}

寫鎖既然休眠了，則必定要有一種喚醒機制其實就是每次釋放鎖的時候，當檢查到有加寫鎖的情況下，就遞減readerWait，並由最後一個釋放reader lock的goroutine來實現喚醒寫鎖

if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {
    // The last reader unblocks the writer.
    runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false)
}

2.5.2 寫鎖的公平性

在加寫鎖的時候必須先進行mutex的加鎖，而mutex本身在普通模式下是非公平的，只有在飢餓模式下才是公平的

    rw.w.Lock()

2.5.3 寫鎖與讀鎖的公平性

在加讀鎖和寫鎖的工程中都使用atomic.AddInt32來進行遞增，而該指令在底層是會通過LOCK來進行CPU匯流排加鎖的，因此多個CPU同時執行readerCount其實只會有一個成功，從這上面看其實是寫鎖與讀鎖之間是相對公平的，誰先達到誰先被CPU排程執行，進行LOCK鎖cache line成功，誰就加成功鎖

2.5.4 可見性與原子性問題

在併發場景中特別是JAVA中通常會提到併發裡面的兩個問題：可見性與記憶體屏障、原子性， 其中可見性通常是指在cpu多級快取下如何保證快取的一致性，即在一個CPU上修改了了某個資料在其他的CPU上不會繼續讀取舊的資料，記憶體屏障通常是為了CPU為了提高流水線效能，而對指令進行重排序而來，而原子性則是指的執行某個操作的過程的不可分割

go裡面並沒有volatile這種關鍵字，那如何能保證上面的AddInt32這個操作可以滿足上面的兩個問題呢， 其實關鍵就在於底層的2條指令，通過LOCK指令配合CPU的MESI協議，實現可見性和記憶體屏障，同時通過XADDL則用來保證原子性，從而解決上面提到的可見性與原子性問題

    // atomic/asm_amd64.s TEXT runtime∕internal∕atomic·Xadd(SB)
    LOCK
    XADDL    AX, 0(BX)

來源：https://mp.weixin.qq.com/s/cvszEMmxfkOiYew...

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