Go語言sync包與鎖實現(xiàn)限制線程對變量的訪問

更新時間：2023年04月13日 10:40:32 作者：C語言中文網

本文主要介紹了Go語言sync包與鎖實現(xiàn)限制線程對變量的訪問，文中通過示例代碼介紹的非常詳細，對大家的學習或者工作具有一定的參考學習價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學習學習吧

為什么需要鎖

鎖是 sync 包中的核心，它主要有兩個方法，分別是加鎖（Lock）和解鎖（Unlock）。

在并發(fā)的情況下，多個線程或協(xié)程同時其修改一個變量，使用鎖能保證在某一時間內，只有一個協(xié)程或線程修改這一變量。

不使用鎖時，在并發(fā)的情況下可能無法得到想要的結果，如下所示：

package main
import (
    "fmt"
    "time"
)
func main() {
    var a = 0
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func(idx int) {
            a += 1
            fmt.Println(a)
        }(i)
    }
    time.Sleep(time.Second)
}

從理論上來說，上面的程序會將 a 的值依次遞增輸出，然而實際結果卻是下面這樣子的。

537
995
996
997
538
999
1000

通過運行結果可以看出 a 的值并不是按順序遞增輸出的，這是為什么呢？

協(xié)程的執(zhí)行順序大致如下所示：

從寄存器讀取 a 的值；
然后做加法運算；
最后寫到寄存器。

按照上面的順序，假如有一個協(xié)程取得 a 的值為 3，然后執(zhí)行加法運算，此時又有一個協(xié)程對 a 進行取值，得到的值同樣是 3，最終兩個協(xié)程的返回結果是相同的。

而鎖的概念就是，當一個協(xié)程正在處理 a 時將 a 鎖定，其它協(xié)程需要等待該協(xié)程處理完成并將 a 解鎖后才能再進行操作，也就是說同時處理 a 的協(xié)程只能有一個，從而避免上面示例中的情況出現(xiàn)。

互斥鎖 Mutex

上面的示例中出現(xiàn)的問題怎么解決呢？加一個互斥鎖 Mutex 就可以了。那什么是互斥鎖呢？互斥鎖中其有兩個方法可以調用，如下所示：

func (m *Mutex) Lock()
func (m *Mutex) Unlock()

將上面的代碼略作修改，如下所示：

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
func main() {
    var a = 0
    var lock sync.Mutex
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go func(idx int) {
            lock.Lock()
            defer lock.Unlock()
            a += 1
            fmt.Printf("goroutine %d, a=%d\n", idx, a)
        }(i)
    }
    // 等待 1s 結束主程序
    // 確保所有協(xié)程執(zhí)行完
    time.Sleep(time.Second)
}

運行結果如下：

goroutine 995, a=996
goroutine 996, a=997
goroutine 997, a=998
goroutine 998, a=999
goroutine 999, a=1000

需要注意的是一個互斥鎖只能同時被一個 goroutine 鎖定，其它 goroutine 將阻塞直到互斥鎖被解鎖（重新爭搶對互斥鎖的鎖定），示例代碼如下：

package main
import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
func main() {
    ch := make(chan struct{}, 2)
    var l sync.Mutex
    go func() {
        l.Lock()
        defer l.Unlock()
        fmt.Println("goroutine1: 我會鎖定大概 2s")
        time.Sleep(time.Second * 2)
        fmt.Println("goroutine1: 我解鎖了，你們去搶吧")
        ch <- struct{}{}
    }()
    go func() {
        fmt.Println("goroutine2: 等待解鎖")
        l.Lock()
        defer l.Unlock()
        fmt.Println("goroutine2: 歐耶，我也解鎖了")
        ch <- struct{}{}
    }()
    // 等待 goroutine 執(zhí)行結束
    for i := 0; i < 2; i++ {
        <-ch
    }
}

上面的代碼運行結果如下：

goroutine1: 我會鎖定大概 2s
goroutine2: 等待解鎖
goroutine1: 我解鎖了，你們去搶吧
goroutine2: 歐耶，我也解鎖了

讀寫鎖

讀寫鎖有如下四個方法：

寫操作的鎖定和解鎖分別是func (*RWMutex) Lock和func (*RWMutex) Unlock；
讀操作的鎖定和解鎖分別是func (*RWMutex) Rlock和func (*RWMutex) RUnlock。

讀寫鎖的區(qū)別在于：

當有一個 goroutine 獲得寫鎖定，其它無論是讀鎖定還是寫鎖定都將阻塞直到寫解鎖；
當有一個 goroutine 獲得讀鎖定，其它讀鎖定仍然可以繼續(xù)；
當有一個或任意多個讀鎖定，寫鎖定將等待所有讀鎖定解鎖之后才能夠進行寫鎖定。

所以說這里的讀鎖定（RLock）目的其實是告訴寫鎖定，有很多協(xié)程或者進程正在讀取數據，寫操作需要等它們讀（讀解鎖）完才能進行寫（寫鎖定）。

我們可以將其總結為如下三條：

同時只能有一個 goroutine 能夠獲得寫鎖定；
同時可以有任意多個 gorouinte 獲得讀鎖定；
同時只能存在寫鎖定或讀鎖定（讀和寫互斥）。

示例代碼如下所示：

package main

import (
? ? "fmt"
? ? "math/rand"
? ? "sync"
)
var count int
var rw sync.RWMutex
func main() {
? ? ch := make(chan struct{}, 10)
? ? for i := 0; i < 5; i++ {
? ? ? ? go read(i, ch)
? ? }
? ? for i := 0; i < 5; i++ {
? ? ? ? go write(i, ch)
? ? }
? ? for i := 0; i < 10; i++ {
? ? ? ? <-ch
? ? }
}
func read(n int, ch chan struct{}) {
? ? rw.RLock()
? ? fmt.Printf("goroutine %d 進入讀操作...\n", n)
? ? v := count
? ? fmt.Printf("goroutine %d 讀取結束，值為：%d\n", n, v)
? ? rw.RUnlock()
? ? ch <- struct{}{}
}
func write(n int, ch chan struct{}) {
? ? rw.Lock()
? ? fmt.Printf("goroutine %d 進入寫操作...\n", n)
? ? v := rand.Intn(1000)
? ? count = v
? ? fmt.Printf("goroutine %d 寫入結束，新值為：%d\n", n, v)
? ? rw.Unlock()
? ? ch <- struct{}{}
}

其執(zhí)行結果如下：

goroutine 0 進入讀操作...
goroutine 0 讀取結束，值為：0
goroutine 3 進入讀操作...
goroutine 1 進入讀操作...
goroutine 3 讀取結束，值為：0
goroutine 1 讀取結束，值為：0
goroutine 4 進入寫操作...
goroutine 4 寫入結束，新值為：81
goroutine 4 進入讀操作...
goroutine 4 讀取結束，值為：81
goroutine 2 進入讀操作...
goroutine 2 讀取結束，值為：81
goroutine 0 進入寫操作...
goroutine 0 寫入結束，新值為：887
goroutine 1 進入寫操作...
goroutine 1 寫入結束，新值為：847
goroutine 2 進入寫操作...
goroutine 2 寫入結束，新值為：59
goroutine 3 進入寫操作...
goroutine 3 寫入結束，新值為：81

下面再來看兩個示例。

【示例 1】多個讀操作同時讀取一個變量時，雖然加了鎖，但是讀操作是不受影響的。（讀和寫是互斥的，讀和讀不互斥）

package main
import (
    "sync"
    "time"
)
var m *sync.RWMutex
func main() {
    m = new(sync.RWMutex)
    // 多個同時讀
    go read(1)
    go read(2)
    time.Sleep(2*time.Second)
}
func read(i int) {
    println(i,"read start")
    m.RLock()
    println(i,"reading")
    time.Sleep(1*time.Second)
    m.RUnlock()
    println(i,"read over")
}

運行結果如下：

1 read start
1 reading
2 read start
2 reading
1 read over
2 read over

【示例 2】由于讀寫互斥，所以寫操作開始的時候，讀操作必須要等寫操作進行完才能繼續(xù)，不然讀操作只能繼續(xù)等待。

package main
import (
    "sync"
    "time"
)
var m *sync.RWMutex
func main() {
    m = new(sync.RWMutex)
    // 寫的時候啥也不能干
    go write(1)
    go read(2)
    go write(3)
    time.Sleep(2*time.Second)
}
func read(i int) {
    println(i,"read start")
    m.RLock()
    println(i,"reading")
    time.Sleep(1*time.Second)
    m.RUnlock()
    println(i,"read over")
}
func write(i int) {
    println(i,"write start")
    m.Lock()
    println(i,"writing")
    time.Sleep(1*time.Second)
    m.Unlock()
    println(i,"write over")
}

運行結果如下：