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Go语言基础之13--线程安全及互斥锁和读写锁

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1.1 现实例子

A. 多个goroutine同时操作一个资源，这个资源又叫临界区

B. 现实生活中的十字路口，通过红路灯实现线程安全

C. 火车上的厕所（进去之后先加锁，在上厕所，不加锁两个人都进去就出问题了，出来后在解锁，别人就可以使用了），通过互斥锁来实现线程安全

D、在程序中，同一个变量多个goroutine去修改的时候，肯定是不允许同时修改的，同时修改肯定会出问题，所以当一个goroutine在修改之前需要加锁，修改结束在解锁，这样别的goroutine就可以去修改了。

1.2 实际例子

x = x +1

A. 先从内存中取出x的值

B. CPU进行计算， x+1

C. 然后把x+1的结果存储在内存中

解释：

就是两个goroutine同时去操作x（共享资源），最后的结果x并不是2，由于线程安全的问题，导致最后的结果还是等于1；

详情也如下图所示：

下面来看一个实际例子：

test1和test2函数都是在自增到1000000（对同一个变量count进行修改）

1）当test1函数和test2函数跑在同一个线程时：

package main

import (
    "fmt"
)

var count int

func test1() {
    for i := 0; i < 1000000; i++ {
        count++
    }
}

func test2() {
    for i := 0; i < 1000000; i++ {
        count++
    }
}

func main() {
    test1()
    test2()
    fmt.Printf("count=%d\n", count)
}

执行结果如下：

因为是串行执行，所以最终结果肯定是2000000

2）当test1函数和test2函数独自起goroutine运行时：

package main

import (
    "fmt"
    "time"
)

var count int

func test1() {
    for i := 0; i < 1000000; i++ {
        count++
    }
}

func test2() {
    for i := 0; i < 1000000; i++ {
        count++
    }
}

func main() {
    go test1()
    go test2()

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Printf("count=%d\n", count)
}

执行结果如下：

解释：

可以看到当test1和test2同时运行对count（共享资源）进行修改时，就会出现冲突，最终结果也就不是2000000了

1.3 如何解决？

那么如何解决上述线程安全问题呢，就是我们接下来要学习的互斥锁。

第2章互斥锁

2.1 互斥锁介绍

A. 同时有且只有一个线程进入临界区，其他的线程则在等待锁；

B. 当互斥锁释放之后，等待锁的线程才可以获取锁进入临界区；

C. 多个线程同时等待同一个锁，唤醒的策略是随机的；

2.2 互斥锁使用实例

package main

import (
    "fmt"
    "sync" //互斥锁需要使用这个包。

    "time"
)

var count int
var mutex sync.Mutex //定义一个锁的变量(互斥锁的关键字是Mutex，其是一个结构体，传参一定要传地址，否则就不对了)
func test1() {
    for i := 0; i < 1000000; i++ {
        mutex.Lock() //对共享变量操作之前先加锁
        count++
        mutex.Unlock() //对共享变量操作完毕在解锁，这样就保护了共享的资源
    }
}

func test2() {
    for i := 0; i < 1000000; i++ {
        mutex.Lock()
        count++
        mutex.Unlock()
    }
}

func main() {
    go test1()
    go test2()

    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Printf("count=%d\n", count)
}

执行结果如下：

解释：

加锁（互斥锁）之后其实是相当于串行（对共享变量进行操作时）执行了，就算是goroutine也不例外。

2.3 互斥锁高阶实例

1）未加互斥锁代码（有问题）

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)
}

执行结果：

2）添加互斥锁代码

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)
}

执行结果：

三、读写锁

3.1 使用场景

A. 读多写少的场景；

B. 分为两种角色，读锁和写锁；

C. 当一个goroutine获取写锁之后，其他的goroutine获取写锁或读锁都会等待；

D. 当一个goroutine获取读锁之后，其他的goroutine获取写锁都会等待, 但其他

goroutine获取读锁时，都会继续获得锁.；

3.2 读写锁案例演示

package main

import (
    "sync"
    "time"
)

var rwlock sync.RWMutex //定义一个锁的变量(读写锁的关键字是RWMutex，其是一个结构体，传参一定要传地址，否则就不对了)
var wg sync.WaitGroup
var count int

func writer() { //写的线程
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        // 加写锁
        rwlock.Lock() //加锁写锁之后，其他goroutine就不能针对该共享变量加读锁或写锁（读取或写入）了
        count++
        time.Sleep(10 * time.Millisecond) //模拟写操作需要10ms
        // 释放写锁
        rwlock.Unlock()
    }
    wg.Done()
}

func reader() { //读的线程
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        // 加读锁
        rwlock.RLock() //对于读锁来说，其他goroutine依然可以对该共享变量进行读取（读锁）依然可以，但是写入不行，获取写锁需要等待。
        _ = count
        //fmt.Printf("count=%d\n", count)
        time.Sleep(1 * time.Millisecond) //模拟读操作场景需要1ms
        // 释放读锁
        rwlock.RUnlock()
    }
    wg.Done()
}

func main() {
    wg.Add(1)
    go writer()
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go reader() //读锁是并发的，这里加了for循环主要是为了模拟只要有1个goroutine能够读取到共享资源，其他的goroutine也可以获取到。
    }
    wg.Wait()
}

执行结果：

3.3 读写锁和互斥锁性能比较

针对同一个程序，我们通过比较互斥锁和读写锁的耗时来进行直观展示：

首先计算读写锁性能：

代码示例如下：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var rwlock sync.RWMutex //定义一个锁的变量(读写锁的关键字是RWMutex，其是一个结构体，传参一定要传地址，否则就不对了)
var wg sync.WaitGroup
var count int

func writer() { //写的线程
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        // 加写锁
        rwlock.Lock() //加锁写锁之后，其他goroutine就不能针对该共享变量加读锁或写锁（读取或写入）了
        count++
        time.Sleep(10 * time.Millisecond) //模拟写操作需要10ms
        // 释放写锁
        rwlock.Unlock()
    }
    wg.Done()
}

func reader() { //读的线程
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        // 加读锁
        rwlock.RLock() //对于读锁来说，其他goroutine依然可以对该共享变量进行读取（读锁）依然可以，但是写入不行，获取写锁需要等待。
        _ = count
        //fmt.Printf("count=%d\n", count)
        time.Sleep(1 * time.Millisecond) //模拟读操作场景需要1ms
        // 释放读锁
        rwlock.RUnlock()
    }
    wg.Done()
}

func main() {

    start := time.Now().UnixNano() //开始时间
    wg.Add(1)
    go writer()
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go reader() //读锁是并发的，这里加了for循环主要是为了模拟只要有1个goroutine能够读取到共享资源，其他的goroutine也可以获取到。
    }
    wg.Wait()
    end := time.Now().UnixNano() //结束时间
    cost := (end - start) / 1000 / 1000 / 1000
    fmt.Printf("cost %d s\n", cost)

}

执行结果如下：

互斥锁性能：

见如下实例：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var mlock sync.Mutex //声明互斥锁变量
var wg sync.WaitGroup
var count int

func writer_mutex() { //写的线程
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        mlock.Lock()
        count++
        time.Sleep(10 * time.Millisecond) //模拟写操作需要10ms
        mlock.Unlock()
    }
    wg.Done()
}

func reader_mutex() { //读的线程
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        mlock.Lock() //对于多个goroutine来说，互斥锁也是只有1个goroutine可以读，并不像读写锁一样，所有goroutine都可以读
        _ = count
        //fmt.Printf("count=%d\n", count)
        time.Sleep(1 * time.Millisecond) //模拟读操作场景需要1ms
        mlock.Unlock()
    }
    wg.Done()
}

func main() {

    start := time.Now().UnixNano() //开始时间
    wg.Add(1)
    go writer_mutex()
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go reader_mutex()
    }
    wg.Wait()
    end := time.Now().UnixNano() //结束时间
    cost := (end - start) / 1000 / 1000 / 1000
    fmt.Printf("cost %d s\n", cost)

}