- 原文地址:Part 25: Mutex
- 原文作者:Naveen R
- 译者:咔叽咔叽
转载请注明出处。
在本教程中,我们将了解互斥锁Mutex
。我们还将学习如何使用Mutex
和channel
解决竞争条件。
临界区
在了解互斥锁之前,先了解并发编程中临界区的概念非常重要。当程序并发运行时,多个Goroutines
不应该同时拥有修改共享内存的权限。修改共享内存的这部分代码则称为临界区。例如,假设我们有一段代码将变量x递增1。
x = x + 1
如果上面一段代码被一个Goroutine
访问,就不会有任何问题。
让我们看看为什么当有多个Goroutines
并发运行时,这段代码会失败。为简单起见,我们假设我们有2个Goroutines
并发运行上面的代码行。
上面的代码将按以下步骤执行(有更多技术细节涉及寄存器,如何添加任务等等,但为了本教程的简便,我们假设都是第三步),
- 获取当前
x
的值- 计算
x + 1
- 把第二步计算的值赋给
x
当这三个步骤仅由一个Goroutine
进行时,结果没什么问题。
让我们看看当两个Goroutines
并发运行此代码时会发生什么。下图描绘了当两个Goroutines
并发访问代码行x = x + 1
时可能发生的情况。
我们假设x
的初始值为0。Goroutine 1
获取x
的初始值,计算x + 1
,在它将计算值赋值给x
之前,系统切换到Goroutine 2
。现在Goroutine 2
获取的x
的值仍为0,然后计算x + 1
。此时系统再次切回到Goroutine 1
。现在Goroutine 1
将其计算值1赋值给x
,因此x
变为1。然后Goroutine 2
再次开始执行然后赋值计算值,然后把1赋值给x
,因此在两个Goroutines
执行后x
为1。
现在让我们看看可能发生的不同情况。
在上面的场景中,Goroutine 1
开始执行并完成所有的三个步骤,因此x
的值变为1。然后Goroutine 2
开始执行。现在x
的值为1,当Goroutine 2
完成执行时,x
的值为2。
因此,在这两种情况下,可以看到x
的最终值为1或者2,具体取决于协程如何切换。这种程序的输出取决于Goroutines
的执行顺序的情况,称为竞态条件。
在上面的场景中,如果在任何时间点只允许一个Goroutine
访问临界区,则可以避免竞态条件。这可以通过使用Mutex实现。
Mutex
互斥锁
Mutex
用于提供锁定机制,以确保在任何时间点只有一个Goroutine
运行代码的临界区,以防止发生竞态条件。
sync
包中提供了Mutex
。Mutex
上定义了两种方法,即锁定Lock
和UnLock
。在Lock
和UnLock
的调用之间的任何代码将只能由一个Goroutine
执行,从而避免竞态条件。
mutex.Lock()
x = x + 1
mutex.Unlock()
在上面的代码中,x = x + 1
将仅由一个Goroutine
执行。
如果一个Goroutine
已经持有锁,当一个新的Goroutine
试图获取锁的时候,新的Goroutine
将被阻塞直到互斥锁被解锁。
竞态条件的程序
在本节中,我们将编写一个有竞态条件的程序,在接下来的部分中我们将修复竞态条件。
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)
}
在上面的程序中,第7行的increment
函数将x
的值递增1,然后调用WaitGroup
上的Done
以通知main Goroutine
任务完成。
我们在第15行生成1000个increment Goroutines
。这些Goroutines
中的每一个都并发运行,当多个Goroutines
尝试同时访问x
的值,并且计算x + 1
时会出现竞态条件。
最好在本地运行此程序,因为playgroud
是确定性的不会出现竞态条件。在本地计算机上多次运行此程序,您可以看到由于竞态条件,每次输出都会不同。我遇到的一些输出是final value of x 941, final value of x 928, final value of x 922
等等。
使用互斥锁Mutex解决竞态条件
在上面的程序中,我们生成了1000个Goroutines
。如果每个都将x
的值加1,则x
的最终期望值应该为1000。在本节中,我们将使用互斥锁Mutex修复上述程序中的竞态条件。
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)
}
Mutex
是一种结构类型,我们在第一行中初始化了一个Mutex
类型的变量m
。 在上面的程序中,我们修改了increment
函数,使x = x + 1
的代码在m.Lock()
和m.Unlock()
之间。现在这段代码没有任何竞态条件,因为在任何时候只允许一个Goroutine
执行临界区。
现在如果运行该程序,它将输出,
final value of x 1000
在第18行传递互斥锁的地址非常重要。如果通过值传递互斥锁而不是地址传递,则每个Goroutine
都将拥有自己的互斥锁副本,那么肯定还会发生竞态条件。
使用通道channel
解决竞态条件
我们也可以使用channel
解决竞态条件。让我们看看这是如何完成的。
package main
import (
"fmt"
"sync"
)
var x = 0
func increment(wg *sync.WaitGroup, ch chan bool) {
ch <- true
x = x + 1
<- ch
}
func main() {
var w sync.WaitGroup
ch := make(chan bool, 1)
for i := 0; i < 1000; i++ {
w.Add(1)
go increment(&w, ch)
wg.Done()
}
w.Wait()
fmt.Println("final value of x", x)
}
在上面的程序中,我们创建了一个容量为1的缓冲channel
,并将其传递给第18行的increment Goroutine
。 此缓冲channel
通过将true
传递给ch
来实现确保只有一个Goroutine
访问临界区的。在x
递增之前,由于缓冲channel
的容量为1,因此尝试写入此channel
的所有其他Goroutines
都会被阻塞,直到第10行将ch
的值取出来。 使用这种方式,实现了只允许一个Goroutine访问临界区。
程序输出,
final value of x 1000
互斥锁Mutex
VS 通道channel
我们使用互斥锁Mutex
和通道channel
解决了竞态条件问题。那么我们怎么决定何时使用哪个?答案在于您要解决的问题。如果您尝试解决的问题更适合互斥锁Mutex
,那么请继续使用Mutex
。如果需要,请不要犹豫地使用Mutex
。如果问题似乎更适合通道channel
,那么使用它:)。
大多数Go新手尝试使用channel
解决遇到的并发问题,因为它是该语言的一个很酷的功能。这是错的。该语言为我们提供了Mutex
或Channel
的选项,并且选择任何一种都没有错。
一般情况下,当Goroutine
需要相互通信时使用channel
,当Goroutine
只访问代码的临界区时,使用Mutex
。
在我们上面那些问题的情况下,我宁愿使用Mutex
,因为这个问题不需要goroutines
之间进行任何通信。因此Mutex
是一种自然的选择。
我的建议是选择工具去解决问题,而不要为了工具去适应问题:)
有疑问加站长微信联系(非本文作者)