Go 系列教程 —— 25. Mutex

欢迎来到 Golang 系列教程的第 25 篇。

本教程我们学习 Mutex。我们还会学习怎样通过 Mutex 和信道来处理竞态条件（Race Condition）。

临界区

在学习 Mutex 之前，我们需要理解并发编程中临界区（Critical Section）的概念。当程序并发地运行时，多个 Go 协程不应该同时访问那些修改共享资源的代码。这些修改共享资源的代码称为临界区。例如，假设我们有一段代码，将一个变量 x 自增 1。

x = x + 1

如果只有一个 Go 协程访问上面的代码段，那都没有任何问题。

但当有多个协程并发运行时，代码却会出错，让我们看看究竟是为什么吧。简单起见，假设在一行代码的前面，我们已经运行了两个 Go 协程。

在上一行代码的内部，系统执行程序时分为如下几个步骤（这里其实还有很多包括寄存器的技术细节，以及加法的工作原理等，但对于我们的系列教程，只需认为只有三个步骤就好了）：

1. 获得 x 的当前值
2. 计算 x + 1
3. 将步骤 2 计算得到的值赋值给 x

如果只有一个协程执行上面的三个步骤，不会有问题。

我们讨论一下当有两个并发的协程执行该代码时，会发生什么。下图描述了当两个协程并发地访问代码行 x = x + 1 时，可能出现的一种情况。

我们假设 x 的初始值为 0。而协程 1 获取 x 的初始值，并计算 x + 1。而在协程 1 将计算值赋值给 x 之前，系统上下文切换到了协程 2。于是，协程 2 获取了 x 的初始值（依然为 0），并计算 x + 1。接着系统上下文又切换回了协程 1。现在，协程 1 将计算值 1 赋值给 x，因此 x 等于 1。然后，协程 2 继续开始执行，把计算值（依然是 1）复制给了 x，因此在所有协程执行完毕之后，x 都等于 1。

现在我们考虑另外一种可能发生的情况。

在上面的情形里，协程 1 开始执行，完成了三个步骤后结束，因此 x 的值等于 1。接着，开始执行协程 2。目前 x 的值等于 1。而当协程 2 执行完毕时，x 的值等于 2。

所以，从这两个例子你可以发现，根据上下文切换的不同情形，x 的最终值是 1 或者 2。这种不太理想的情况称为竞态条件（Race Condition），其程序的输出是由协程的执行顺序决定的。

在上例中，如果在任意时刻只允许一个 Go 协程访问临界区，那么就可以避免竞态条件。而使用 Mutex 可以达到这个目的。

Mutex

Mutex 用于提供一种加锁机制（Locking Mechanism），可确保在某时刻只有一个协程在临界区运行，以防止出现竞态条件。

Mutex 可以在 sync 包内找到。Mutex 定义了两个方法：Lock 和 Unlock。所有在 Lock 和 Unlock 之间的代码，都只能由一个 Go 协程执行，于是就可以避免竞态条件。

mutex.Lock()  
x = x + 1  
mutex.Unlock()

在上面的代码中，x = x + 1 只能由一个 Go 协程执行，因此避免了竞态条件。

如果有一个 Go 协程已经持有了锁（Lock），当其他协程试图获得该锁时，这些协程会被阻塞，直到 Mutex 解除锁定为止。

含有竞态条件的程序

在本节里，我们会编写一个含有竞态条件的程序，而在接下来一节，我们再修复竞态条件的问题。

package main  
import (  
    "fmt"
    "sync"
    )
var x  = 0  
func increment(wg *sync.WaitGroup) {  
    x = x + 1
    wg.Done()
}
func main() {  
    var w sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        w.Add(1)        
        go increment(&w)
    }
    w.Wait()
    fmt.Println("final value of x", x)
}

在上述程序里，第 7 行的 increment 函数把 x 的值加 1，并调用 WaitGroup 的 Done()，通知该函数已结束。

在上述程序的第 15 行，我们生成了 1000 个 increment 协程。每个 Go 协程并发地运行，由于第 8 行试图增加 x 的值，因此多个并发的协程试图访问 x 的值，这时就会发生竞态条件。

由于 playground 具有确定性，竞态条件不会在 playground 发生，请在你的本地运行该程序。请在你的本地机器上多运行几次，可以发现由于竞态条件，每一次输出都不同。我其中遇到的几次输出有 final value of x 941、final value of x 928、final value of x 922 等。

使用 Mutex

在前面的程序里，我们创建了 1000 个 Go 协程。如果每个协程对 x 加 1，最终 x 期望的值应该是 1000。在本节，我们会在程序里使用 Mutex，修复竞态条件的问题。

package main  
import (  
    "fmt"
    "sync"
    )
var x  = 0  
func increment(wg *sync.WaitGroup, m *sync.Mutex) {  
    m.Lock()
    x = x + 1
    m.Unlock()
    wg.Done()   
}
func main() {  
    var w sync.WaitGroup
    var m sync.Mutex
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        w.Add(1)        
        go increment(&w, &m)
    }
    w.Wait()
    fmt.Println("final value of x", x)
}

在 playground 中运行

Mutex 是一个结构体类型，我们在第 15 行创建了 Mutex 类型的变量 m，其值为零值。在上述程序里，我们修改了 increment 函数，将增加 x 的代码（x = x + 1）放置在 m.Lock() 和 m.Unlock()之间。现在这段代码不存在竞态条件了，因为任何时刻都只允许一个协程执行这段代码。

于是如果运行该程序，会输出：

final value of x 1000

在第 18 行，传递 Mutex 的地址很重要。如果传递的是 Mutex 的值，而非地址，那么每个协程都会得到 Mutex 的一份拷贝，竞态条件还是会发生。

使用信道处理竞态条件

我们还能用信道来处理竞态条件。看看是怎么做的。

package main  
import (  
    "fmt"
    "sync"
    )
var x  = 0  
func increment(wg *sync.WaitGroup, ch chan bool) {  
    ch <- true
    x = x + 1
    <- ch
    wg.Done()   
}
func main() {  
    var w sync.WaitGroup
    ch := make(chan bool, 1)
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        w.Add(1)        
        go increment(&w, ch)
    }
    w.Wait()
    fmt.Println("final value of x", x)
}

在 playground 中 运行

在上述程序中，我们创建了容量为 1 的缓冲信道，并在第 18 行将它传入 increment 协程。该缓冲信道用于保证只有一个协程访问增加 x 的临界区。具体的实现方法是在 x 增加之前（第 8 行），传入 true 给缓冲信道。由于缓冲信道的容量为 1，所以任何其他协程试图写入该信道时，都会发生阻塞，直到 x 增加后，信道的值才会被读取（第 10 行）。实际上这就保证了只允许一个协程访问临界区。

该程序也输出：

final value of x 1000

Mutex vs 信道

通过使用 Mutex 和信道，我们已经解决了竞态条件的问题。那么我们该选择使用哪一个？答案取决于你想要解决的问题。如果你想要解决的问题更适用于 Mutex，那么就用 Mutex。如果需要使用 Mutex，无须犹豫。而如果该问题更适用于信道，那就使用信道。:)

由于信道是 Go 语言很酷的特性，大多数 Go 新手处理每个并发问题时，使用的都是信道。这是不对的。Go 给了你选择 Mutex 和信道的余地，选择其中之一都可以是正确的。

总体说来，当 Go 协程需要与其他协程通信时，可以使用信道。而当只允许一个协程访问临界区时，可以使用 Mutex。

就我们上面解决的问题而言，我更倾向于使用 Mutex，因为该问题并不需要协程间的通信。所以 Mutex 是很自然的选择。

我的建议是去选择针对问题的工具，而别让问题去将就工具。:)

本教程到此结束。祝你愉快。

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