什么是Mutex互斥鎖？

互斥鎖是一種并發(fā)控制機(jī)制，用于保護(hù)共享資源的訪問，以防止多個(gè)goroutine同時(shí)對該資源進(jìn)行修改。在Golang中，Mutex互斥鎖是通過sync包提供的一種基本的鎖類型。它提供了兩個(gè)主要的方法：Lock和Unlock，用于加鎖和解鎖。

日常使用

在日常開發(fā)中，我們通常會遇到需要對共享資源進(jìn)行讀寫操作的情況。如果不使用互斥鎖進(jìn)行保護(hù)，多個(gè)goroutine可能會同時(shí)訪問和修改該資源，導(dǎo)致數(shù)據(jù)的不一致性和競態(tài)條件的發(fā)生。使用互斥鎖可以確保在任意時(shí)刻只有一個(gè)goroutine能夠訪問共享資源，從而避免并發(fā)沖突。

下面是一個(gè)簡單的示例，展示了如何使用互斥鎖來保護(hù)共享資源

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

var (
	counter = 0
	mutex   sync.Mutex
	wg      sync.WaitGroup
)

func main() {
	wg.Add(2)
	go increment()
	go increment()
	wg.Wait()
	fmt.Println("Final Counter:", counter)
}

func increment() {
	defer wg.Done()
	for i := 0; i < 1000; i++ {
		mutex.Lock()
		counter++
		mutex.Unlock()
	}
}

在上面的示例中，我們定義了一個(gè)全局變量counter，并使用互斥鎖mutex來保護(hù)對該變量的訪問。在increment函數(shù)中，我們使用Lock方法來加鎖，然后對counter進(jìn)行自增操作，最后使用Unlock方法解鎖。通過這種方式，我們確保了在任意時(shí)刻只有一個(gè)goroutine能夠訪問和修改counter，從而避免了競態(tài)條件的發(fā)生。

鎖結(jié)構(gòu)

在Golang中，Mutex互斥鎖的實(shí)現(xiàn)是基于一個(gè)底層的結(jié)構(gòu)體sync.Mutex。該結(jié)構(gòu)體包含一個(gè)整型字段state，用于表示鎖的狀態(tài)。當(dāng)state為0時(shí)，表示鎖是未加鎖狀態(tài)；當(dāng)state為1時(shí)，表示鎖是加鎖狀態(tài)。

Mutex結(jié)構(gòu)體的定義如下：

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

在Mutex結(jié)構(gòu)體中，state字段用于表示鎖的狀態(tài)，而sema字段用于實(shí)現(xiàn)鎖的信號量。通過state字段的值來判斷鎖的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)加鎖和解鎖的操作。

運(yùn)行機(jī)制

Mutex互斥鎖的運(yùn)行機(jī)制可以簡單描述為以下幾個(gè)步驟：

• 當(dāng)一個(gè)goroutine調(diào)用Lock方法時(shí)，如果鎖處于未加鎖狀態(tài)，那么該goroutine會將鎖的狀態(tài)設(shè)置為加鎖狀態(tài)，并繼續(xù)執(zhí)行。
• 如果鎖處于加鎖狀態(tài)，那么調(diào)用Lock方法的goroutine會被阻塞，直到鎖的狀態(tài)變?yōu)槲醇渔i狀態(tài)。
• 當(dāng)一個(gè)goroutine調(diào)用Unlock方法時(shí)，它會將鎖的狀態(tài)設(shè)置為未加鎖狀態(tài)，并喚醒一個(gè)等待的goroutine繼續(xù)執(zhí)行。

Mutex互斥鎖的運(yùn)行機(jī)制保證了在任意時(shí)刻只有一個(gè)goroutine能夠持有鎖，從而實(shí)現(xiàn)了對共享資源的互斥訪問。

在Golang中，Mutex互斥鎖有兩種模式：正常模式（Normal Mode）和饑餓模式（Starvation Mode）。

正常模式

正常模式是Mutex互斥鎖的默認(rèn)模式。在正常模式下，Mutex采用公平的先進(jìn)先出策略，保證了goroutine的公平性。當(dāng)一個(gè)goroutine嘗試獲取鎖時(shí)，如果鎖處于加鎖狀態(tài)，該goroutine會被放入等待隊(duì)列中，等待鎖的釋放。當(dāng)鎖被解鎖后，等待隊(duì)列中的goroutine會按照先后順序獲取鎖。

饑餓模式

饑餓模式是一種非公平的模式。當(dāng)某個(gè)goroutine連續(xù)多次嘗試獲取鎖但一直失敗時(shí)，Mutex可能會切換到饑餓模式。在饑餓模式下，Mutex不再采用公平的策略，而是采用非公平的策略。即當(dāng)鎖被解鎖后，下一個(gè)獲取鎖的goroutine不一定是等待時(shí)間最長的goroutine，而是可能是最后一次嘗試獲取鎖失敗的goroutine。

在 Go 1.16 版本中，引入了 Mutex 饑餓模式的改進(jìn)。在該版本中，饑餓模式的行為發(fā)生了一些變化，以更好地平衡公平性和性能。

具體來說，Go 1.16 中的 Mutex 饑餓模式改進(jìn)包括以下幾個(gè)方面：

• 自旋：在饑餓模式下，Mutex 會引入自旋操作。當(dāng)一個(gè) goroutine 嘗試獲取鎖但鎖處于加鎖狀態(tài)時(shí)，該 goroutine 會進(jìn)行一定次數(shù)的自旋操作，嘗試在短時(shí)間內(nèi)獲取到鎖而不進(jìn)入等待隊(duì)列。這樣可以減少等待隊(duì)列的競爭，提高性能。
• 饑餓模式的切換：在 Go 1.16 中，饑餓模式的切換更加智能和平滑。當(dāng)一個(gè) goroutine 連續(xù)多次嘗試獲取鎖但一直失敗時(shí)，Mutex 會逐漸降低自旋次數(shù)，直到最后將該 goroutine 放入等待隊(duì)列中。這樣可以避免某個(gè) goroutine 長時(shí)間占用鎖，提高公平性。
• 公平性保證：盡管引入了自旋操作，Go 1.16 仍然保持了對公平性的關(guān)注。當(dāng)一個(gè) goroutine 進(jìn)入等待隊(duì)列后，它會等待一段時(shí)間，以確保其他 goroutine 有機(jī)會獲取到鎖。這樣可以避免某個(gè) goroutine 長時(shí)間自旋而導(dǎo)致其他 goroutine 等待過久。

關(guān)于進(jìn)入饑餓模式的等待時(shí)間，具體的時(shí)間是由運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)自動管理的，取決于鎖的狀態(tài)和運(yùn)行情況。

智能切換

在 Go 1.16 版本中，Mutex 引入了智能切換機(jī)制，用于決定在饑餓模式下哪個(gè) goroutine 能夠獲取鎖。

智能切換機(jī)制會考慮等待時(shí)間過長的 goroutine，并且會進(jìn)行一些優(yōu)化來確保公平性。具體來說，當(dāng)一個(gè) goroutine 進(jìn)入等待隊(duì)列后，如果它的等待時(shí)間超過了一定的閾值，那么它將被標(biāo)記為“饑餓”的狀態(tài)。當(dāng)鎖的持有者釋放鎖時(shí)，系統(tǒng)會優(yōu)先選擇“饑餓”的 goroutine 來獲取鎖，以確保等待時(shí)間較長的 goroutine 能夠有機(jī)會獲取到鎖。

這種智能切換機(jī)制的目的是為了提高公平性，避免某些 goroutine 長時(shí)間等待鎖而無法獲取到鎖的情況。通過優(yōu)先選擇等待時(shí)間較長的 goroutine，可以減少饑餓現(xiàn)象的發(fā)生，提高程序的穩(wěn)定性和公平性。

Mutex互斥鎖內(nèi)部數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

Mutex互斥鎖內(nèi)部通常包含以下幾個(gè)主要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

• 鎖狀態(tài)（Lock State）：用于表示鎖的當(dāng)前狀態(tài)，包括鎖是否被加鎖以及加鎖的goroutine信息等。
• 等待隊(duì)列（Wait Queue）：用于管理等待鎖的goroutine，通常是一個(gè)先進(jìn)先出（FIFO）的隊(duì)列。等待隊(duì)列中保存著等待鎖的goroutine的相關(guān)信息，如goroutine的標(biāo)識符、狀態(tài)等。
• 自旋計(jì)數(shù)器（Spin Counter）：用于記錄自旋的次數(shù)。當(dāng)一個(gè)goroutine嘗試獲取鎖但鎖處于加鎖狀態(tài)時(shí)，會進(jìn)行自旋操作。自旋計(jì)數(shù)器記錄了自旋的次數(shù)，當(dāng)自旋次數(shù)達(dá)到一定閾值時(shí)，會將goroutine放入等待隊(duì)列中。
• 鎖持有者（Lock Holder）：用于記錄當(dāng)前持有鎖的goroutine的信息，包括goroutine的標(biāo)識符、狀態(tài)等。只有鎖持有者才能夠解鎖。

面試題

• 什么是Mutex互斥鎖？它在并發(fā)編程中的作用是什么？
  答：Mutex互斥鎖是一種并發(fā)原語，用于保護(hù)共享資源的訪問。它提供了兩個(gè)基本操作：Lock和Unlock。當(dāng)一個(gè)goroutine獲得了Mutex的鎖時(shí)，其他goroutine將被阻塞，直到該goroutine釋放了鎖。
• 在Go語言中，如何使用Mutex互斥鎖來保護(hù)共享資源的訪問？
  答：可以使用sync包中的Mutex類型來使用Mutex互斥鎖。通過調(diào)用Mutex的Lock方法來獲取鎖，然后在臨界區(qū)內(nèi)操作共享資源，最后調(diào)用Unlock方法釋放鎖。
• Mutex互斥鎖與讀寫鎖（RWMutex）有什么區(qū)別？在什么情況下應(yīng)該使用Mutex，而在什么情況下應(yīng)該使用RWMutex？
  答：Mutex只允許一個(gè)goroutine同時(shí)獲得鎖，適用于需要頻繁修改共享資源的場景；而RWMutex允許多個(gè)goroutine同時(shí)獲得讀鎖，但只允許一個(gè)goroutine獲得寫鎖，適用于需要頻繁讀取共享資源的場景。
• Mutex互斥鎖的饑餓模式是什么？它可能導(dǎo)致什么問題？如何避免饑餓模式的發(fā)生？
  答：Mutex互斥鎖的饑餓模式指的是某個(gè)goroutine一直無法獲取到鎖的情況，導(dǎo)致其他goroutine一直獲取到鎖，而該goroutine餓死在獲取鎖的過程中。為避免饑餓模式，可以使用公平鎖（Fair Mutex）來確保每個(gè)goroutine都有機(jī)會獲取鎖，或者使用其他并發(fā)原語如信號量（Semaphore）來實(shí)現(xiàn)更靈活的同步機(jī)制。
• 在Go語言中，如何使用Mutex互斥鎖來實(shí)現(xiàn)臨界區(qū)（Critical Section）的保護(hù)？
  答：使用Mutex互斥鎖來保護(hù)臨界區(qū)的常見做法是，在進(jìn)入臨界區(qū)之前調(diào)用Lock方法獲取鎖，在臨界區(qū)內(nèi)操作共享資源，然后在退出臨界區(qū)之前調(diào)用Unlock方法釋放鎖。這樣可以確保在任意時(shí)刻只有一個(gè)goroutine能夠進(jìn)入臨界區(qū)。
• Mutex互斥鎖的鎖定（Lock）和解鎖（Unlock）操作是原子的嗎？為什么？
  答：Mutex互斥鎖的鎖定和解鎖操作是原子的，即它們是不可中斷的單個(gè)操作。這是因?yàn)镸utex內(nèi)部使用了底層的原子操作來實(shí)現(xiàn)鎖的獲取和釋放，從而保證了操作的原子性。
• 在使用Mutex互斥鎖時(shí)，應(yīng)該注意哪些常見的陷阱和錯(cuò)誤？
  答：需要注意避免在臨界區(qū)內(nèi)阻塞或耗時(shí)的操作，避免在未獲得鎖的情況下調(diào)用Unlock方法，避免多次調(diào)用Lock方法而未調(diào)用相應(yīng)的Unlock方法等。
• 除了Mutex互斥鎖，Go語言中還有哪些其他的同步原語和并發(fā)安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)？
  答：除了Mutex互斥鎖，Go語言中還有其他的同步原語和并發(fā)安全的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，如讀寫鎖（RWMutex）、條件變量（Cond）、原子操作（atomic包）、通道（Channel）等。根據(jù)具體的需求和場景，可以選擇合適的并發(fā)原語來實(shí)現(xiàn)并發(fā)控制和數(shù)據(jù)同步。

結(jié)論

在本文中，我們深入探討了Golang中Mutex互斥鎖的原理、日常使用、鎖結(jié)構(gòu)以及運(yùn)行機(jī)制。通過使用Mutex互斥鎖，我們可以有效地保護(hù)共享資源的訪問，避免并發(fā)沖突和競態(tài)條件的發(fā)生。在實(shí)際開發(fā)中，合理地使用Mutex互斥鎖可以提高程序的并發(fā)性能和穩(wěn)定性。

以上就是一文詳解Go語言中Mutex互斥鎖的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于Go Mutex互斥鎖的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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