GO的鎖和原子操作分享

小魔童哪吒發表於2021-06-12
Go
[TOC]

上次我們說到協程，我們再來回顧一下：

  • 協程類似執行緒，是一種更為輕量級的排程單位
  • 執行緒是系統級實現的，常見的排程方法是時間片輪轉法
  • 協程是應用軟體級實現，原理與執行緒類似
  • 協程的排程基於 GPM 模型實現

要是對協程的使用感興趣的話，可以看看這篇文章簡單瞭解一下瞅一眼就會使用GO的併發程式設計分享

今天我們來聊聊GO裡面的鎖

鎖是什麼？

鎖 是用於解決隔離性的一種機制

某個協程（執行緒）在訪問某個資源時先鎖住，防止其它協程的訪問，等訪問完畢解鎖後其他協程再來加鎖進行訪問

在我們生活中，我們應該不會陌生，鎖是這樣的

本意是指置於可啟閉的器物上，以鑰匙或暗碼開啟，引申義是用鎖鎖住、封閉

生活中用到的鎖

上鎖基本是為了防止外人進來、防止自己財物被盜

程式語言中的鎖

鎖的種類更是多種多樣，每種鎖的加鎖開銷以及應用場景也不盡相同

鎖是用來做什麼的？

用來控制各個協程的同步，防止資源競爭導致錯亂問題

在高併發的場景下，如果選對了合適的鎖，則會大大提高系統的效能，否則效能會降低。

那麼知道各種鎖的開銷，以及應用場景很有必要

GO中的鎖有哪些？

  • 互斥鎖
  • 讀寫鎖

我們在編碼中會存在多個 goroutine 協程同時操作一個資源（臨界區），這種情況會發生競態問題（資料競態）

舉一個生活中的例子

生活中最明顯的例子就是，大家搶著上廁所，資源有限，只能一個一個的用

舉一個編碼中的例子

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

// 全域性變數
var num int64
var wg sync.WaitGroup

func add() {
    for i := 0; i < 10000000; i++ {
        num = num + 1
    }
    // 協程退出， 記錄 -1
    wg.Done()
}
func main() {
    // 啟動2個協程，記錄 2
    wg.Add(2)

    go add()
    go add()

    // 等待子協程退出
    wg.Wait()
    fmt.Println(num)
}

按照上述程式碼，我們的輸出結果應該是 20000000，每一個協程計算 10000000 次，可是實際結果卻是

10378923

每一次計算的結果還不一樣，出現這個問題的原因就是上述提到的資源競爭

兩個 goroutine 協程在訪問和修改num變數，會存在2個協程同時對num+1 ， 最終num 總共只加了 1 ，而不是 2

這就導致最後的結果與期待的不符，那麼我們如何解決呢？

我們當然是用鎖控制同步了，保證各自協程在操作臨界區資源的時候，先確實是否拿到鎖，只有拿到鎖了才能進行對臨界區資源的修改

先來看看互斥鎖

互斥鎖

互斥鎖的簡單理解就像上述我們講到上廁所的案例一樣，同一時間點，只能有一個人在使用其他人只能排隊等待

在程式設計中，引入了物件互斥鎖的概念，來保證共享資料操作的完整性

每個物件都對應於一個可稱為互斥鎖的標記，這個標記用來保證在任一時刻，只能有一個協程訪問該物件。

應用場景

寫大於讀操作的

它代表的資源就是一個，不管是讀者還是寫者，只要誰擁有了它，那麼其他人就只有等待解鎖後

我們來使用互斥鎖解決上述的問題

互斥鎖 - 解決問題

互斥鎖是一種常用的控制共享資源訪問的方法，它能夠保證同時只有一個 goroutine 協程可以訪問共享資源

Go 中使用到如下 1個知識點來解決

  • sync包 的 Mutex型別 來實現互斥鎖
package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

// 全域性變數
var num int64
var wg sync.WaitGroup
var lock sync.Mutex

func add() {
   for i := 0; i < 10000000; i++ {
      // 訪問資源前  加鎖
      lock.Lock()
      num = num + 1
      // 訪問資源後  解鎖
      lock.Unlock()
   }
   // 協程退出， 記錄 -1
   wg.Done()
}
func main() {
   // 啟動2個協程，記錄 2
   wg.Add(2)

   go add()
   go add()

   // 等待子協程退出
   wg.Wait()
   fmt.Println(num)
}

執行上述程式碼，我們能看到，輸出的結果與我們預期的一致

20000000

使用互斥鎖能夠保證同一時間有且只有一個goroutine 協程進入臨界區，其他的goroutine則在等待鎖

當互斥鎖釋放後，等待的 goroutine 協程才可以獲取鎖進入臨界區

如何知道哪一個協程是先被喚醒呢？

可是，多個goroutine 協程同時等待一個鎖時，如何知道哪一個協程是先被喚醒呢？

互斥鎖這裡的喚醒的策略是隨機的，並不知道到底是先喚醒誰

讀寫鎖

為什麼有了互斥鎖 ，還要讀寫鎖呢？

很明顯就是互斥鎖不能滿足所有的應用場景，就催生出了讀寫鎖，我們細細道來

互斥鎖是完全互斥的，不管協程是讀臨界區資源還是寫臨界區資源，都必須要拿到鎖，否則就無法操作（這個限制太死了對嗎？)

可是在我們實際的應用場景下是讀多寫少

若我們併發的去讀取一個資源，且不對資源做任何修改的時候如果也要加鎖才能讀取資料，是不是就很沒有必要呢

這種場景下讀寫鎖就發揮作用了，他就相對靈活了，也很好的解決了讀多寫少的場景問題

讀寫鎖的種類

  • 讀鎖
  • 寫鎖

當一個goroutine 協程獲取讀鎖之後，其他的 goroutine 協程如果是獲取讀鎖會繼續獲得鎖

可如果是獲取寫鎖就必須等待

當一個 goroutine 協程獲取寫鎖之後，其他的goroutine 協程無論是獲取讀鎖還是寫鎖都會等待

我們先來寫一個讀寫鎖的DEMO

Go 中使用到如下 1個知識點來解決

  • sync包 的 RWMutex型別 來實現讀寫鎖
package main

import (
   "fmt"
   "sync"
   "time"
)

var (
   num    int64
   wg     sync.WaitGroup
   //lock   sync.Mutex
   rwlock sync.RWMutex
)

func write() {
   // 加互斥鎖
   // lock.Lock()

   // 加寫鎖
   rwlock.Lock()

   num = num + 1
   // 模擬真實寫資料消耗的時間
   time.Sleep(10 * time.Millisecond)

   // 解寫鎖
   rwlock.Unlock()

   // 解互斥鎖
   // lock.Unlock()

   // 退出協程前 記錄 -1
   wg.Done()
}

func read() {
   // 加互斥鎖
   // lock.Lock()

   // 加讀鎖
   rwlock.RLock()

   // 模擬真實讀取資料消耗的時間
   time.Sleep(time.Millisecond)

   // 解讀鎖
   rwlock.RUnlock()

   // 解互斥鎖
   // lock.Unlock()

   // 退出協程前 記錄 -1
   wg.Done()
}

func main() {
   // 用於計算時間 消耗
   start := time.Now()

   // 開5個協程用作 寫
   for i := 0; i < 5; i++ {
      wg.Add(1)
      go write()
   }

   // 開500 個協程，用作讀
   for i := 0; i < 1000; i++ {
      wg.Add(1)
      go read()
   }

   // 等待子協程退出
   wg.Wait()
   end := time.Now()

   // 列印程式消耗的時間
   fmt.Println(end.Sub(start))
}

我們開5個協程用於寫，開1000個協程用於讀，使用讀寫鎖加鎖，結果耗時 54.4871ms 如下

54.4871ms

如果我們將上述程式碼修改成加 互斥鎖，執行之後的結果是 1.7750029s 如下

1.7750029s

是不是結果相差很大呢，對於不同的場景應用不同的鎖，對於我們的程式效能影響也是很大，當然上述結果，若讀協程，和寫協程的個數差距越大，結果就會越懸殊

我們總結一下這一小塊的邏輯：

  • 寫者是排他性的，一個讀寫鎖同時只能有一個寫者或多個讀者
  • 不能同時既有讀者又有寫者
  • 如果讀寫鎖當前沒有讀者，也沒有寫者，那麼寫者可以立刻獲得讀寫鎖，否則它必須自旋在那裡，直到沒有任何寫者或讀者。
  • 如果讀寫鎖沒有寫者，那麼讀者可以立即獲得該讀寫鎖，否則讀者必須自旋在那裡，直到寫者釋放該讀寫鎖。

上述提了自旋鎖，我們來簡單解釋一下，什麼是自旋鎖

自旋鎖是專為防止多處理器併發而引入的一種鎖，它在核心中大量應用於中斷處理等部分（對於單處理器來說，防止中斷處理中的併發可簡單採用關閉中斷的方式，即在標誌暫存器中關閉/開啟中斷標誌位，不需要自旋鎖）。

簡單來說，在併發過程中，若其中一個協程拿不到鎖，他會不停的去嘗試拿鎖，不停的去看能不能拿，而不是阻塞睡眠

自旋鎖和互斥鎖的區別

  • 互斥鎖

當拿不到鎖的時候，會阻塞等待，會睡眠，等待鎖釋放後被喚醒

  • 自旋鎖

當拿不到鎖的時候，會在原地不停的看能不能拿到鎖，所以叫做自旋，他不會阻塞，不會睡眠

如何選擇鎖？

對於 C/C++ 而言

  • 若加鎖後的業務操作消耗，大於互斥鎖阻塞後切換上下文的消耗 ，那麼就選擇互斥鎖
  • 若加鎖後的業務操作消耗，小於互斥鎖阻塞後切換上下文的消耗，那麼選擇自旋鎖

對於 GO 而言

  • 若寫的頻次大大的多餘讀的頻次，那麼選擇互斥鎖
  • 若讀的頻次大大的多餘寫的頻次，那麼選擇讀寫鎖

我們都是對自身要求比較高的同學，那麼有沒有比鎖還好用的東西呢？

自然是有的，我們來看看原子操作

啥是原子操作

“原子操作(atomic operation)是不需要synchronized”，這是多執行緒程式設計的老生常談了。所謂原子操作是指不會被執行緒排程機制打斷的操作

這種操作一旦開始，就一直執行到結束，中間不會有任何 context switch （切換到另一個執行緒）。

原子操作的特性：

  • 原子操作是不可分割的，在執行完畢之前不會被任何其它任務或事件中斷

上述我們的加鎖案例，我們們編碼中的加鎖操作會涉及核心態的上下文切換會比較耗時、代價比較高

針對基本的資料型別我們還可以使用原子操作來保證併發安全

因為原子操作是Go語言提供的方法它在使用者態就可以完成，因此效能比加鎖操作更好

不用我們自己寫彙編，這裡 GO 也提供了原子操作的包，供我們一起來使用 sync/atomic

我們對上述的案例做一個延伸

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "sync/atomic"
    "time"
)

var num int64
var l sync.Mutex
var wg sync.WaitGroup

// 普通版加函式
func add() {
    num = num + 1
    wg.Done()
}

// 互斥鎖版加函式
func mutexAdd() {
    l.Lock()
    num = num + 1
    l.Unlock()
    wg.Done()
}

// 原子操作版加函式
func atomicAdd() {
    atomic.AddInt64(&num, 1)
    wg.Done()
}

func main() {
    // 目的是 記錄程式消耗時間
    start := time.Now()
    for i := 0; i < 20000; i++ {

        wg.Add(1)

        // go add()       // 無鎖的  add函式 不是併發安全的
        // go mutexAdd()  // 互斥鎖的 add函式 是併發安全的，因為拿不到互斥鎖會阻塞，所以加鎖效能開銷大

        go atomicAdd()    // 原子操作的 add函式 是併發安全，效能優於加鎖的
    }

    // 等待子協程 退出
    wg.Wait()

    end := time.Now()
    fmt.Println(num)
    // 列印程式消耗時間
    fmt.Println(end.Sub(start))
}

我們使用上述 demo 程式碼，模擬了3種情況下，程式的耗時以及計算結果對比

  • 不加鎖

無鎖的 add函式 不是併發安全的

19495
11.9474ms
  • 加互斥鎖

互斥鎖的 add函式 是併發安全的，因為拿不到互斥鎖會阻塞，所以加鎖效能開銷大

20000
14.9586ms
  • 使用原子操作

原子操作的 add函式 是併發安全，效能優於加鎖的

20000
9.9726ms

總結

  • 分享了鎖是什麼，用來做什麼
  • 分享了互斥鎖，讀寫鎖，以及其區別和應用場景
  • 分享了原子操作
  • 大家感興趣可以去看看鎖的實現，裡面也是有使用原子操作

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好了，本次就到這裡，下一次 GO通道和sync包的分享

技術是開放的，我們的心態，更應是開放的。擁抱變化，向陽而生，努力向前行。

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