互斥锁，读写锁和条件变量

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：

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 {
      ;
   }
}

View Code

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：

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", n)
   num := count
   fmt.Printf("读 goroutine %d 读取数据结束，读到 %d\n", n, num)
   defer rwlock.RUnlock()
}
func write(n int)  {
   rwlock.Lock()
   fmt.Printf("写 goroutine %d 正在写数据...\n", n)
   num := rand.Intn(1000)
   count = num
   fmt.Printf("写 goroutine %d 写数据结束，写入新值 %d\n", 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 {
      ;
   }
}

View Code

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”：

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
}

消费者，生产者模型

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：

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  {
   ;
    }
}

View Code

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：

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\n", 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\n", 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
}

View Code

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()