【Go进阶—并发编程】RWMutex

标准库中的 RWMutex 是一个 reader/writer 互斥锁。RWMutex 在某一时刻只能由任意数量的 reader 持有，或者是只被单个的 writer 持有。RWMutex 的方法也很少，总共有 5 个：

• Lock/Unlock：写操作时调用的方法。如果锁已经被 reader 或者 writer 持有，那么，Lock 方法会一直阻塞，直到能获取到锁；Unlock 则是配对的释放锁的方法。
• RLock/RUnlock：读操作时调用的方法。如果锁已经被 writer 持有的话，RLock 方法会一直阻塞，直到能获取到锁，否则就直接返回；而 RUnlock 是 reader 释放锁的方法。
• RLocker：这个方法的作用是为读操作返回一个 Locker 接口的对象。它的 Lock 方法会调用 RWMutex 的 RLock 方法，它的 Unlock 方法会调用 RWMutex 的 RUnlock 方法。

如果你遇到可以明确区分 reader 和 writer goroutine 的场景，且有大量的并发读、少量的并发写，并且有强烈的性能需求，就可以考虑使用读写锁 RWMutex 替换 Mutex。

实现原理

读写锁设计方案

基于对读和写操作的优先级，读写锁的设计和实现可以分成三类：

• Read-preferring：读优先的设计可以提供很高的并发性，但是在竞争激烈的情况下可能会导致写饥饿。
• Write-preferring：写优先的设计意味着，如果已经有一个 writer 在等待请求锁的话，它会阻止新来的请求锁的 reader 获取到锁，所以优先保障 writer。
• 不指定优先级：这种设计比较简单，不区分 reader 和 writer 优先级，某些场景下这种不指定优先级的设计反而更有效。

Go 标准库中的 RWMutex 设计是 Write-preferring 方案，一个正在阻塞的 Lock 调用会排除新的 reader 请求到锁。

数据结构

RWMutex 包含一个 Mutex，以及四个辅助字段 writerSem、readerSem、readerCount 和 readerWait：

type RWMutex struct {
  w           Mutex   // 互斥锁解决多个writer的竞争
  writerSem   uint32  // writer信号量
  readerSem   uint32  // reader信号量
  readerCount int32   // reader的数量
  readerWait  int32   // writer等待完成的reader的数量
}

const rwmutexMaxReaders = 1 << 30

• 字段 w：为 writer 的竞争而使用的互斥锁；
• 字段 readerCount：记录当前 reader 的数量（以及是否有 writer 竞争锁）；
• readerWait：记录 writer 请求锁时需要等待 read 完成的 reader 的数量；
• writerSem 和 readerSem：都是为了阻塞设计的信号量。
• 常量 rwmutexMaxReaders：定义了最大的 reader 数量。

RLock/RUnlock

我们看一下精简后的 RLock 和 RUnlock 方法：

func (rw *RWMutex) RLock() {
    if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
        // rw.readerCount 是负值的时候，意味着此时有 writer 等待请求锁，因为 writer 优先级高，所以把后来的 reader 阻塞休眠
        runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false, 0)
    }
}

func (rw *RWMutex) RUnlock() {
    if r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -1); r < 0 {
        rw.rUnlockSlow(r) // 有等待的 writer
    }
}

func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
    if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {
        // 最后一个 reader 了，writer 终于有机会获得锁了
        runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)
    }
}

第 2 行是对 reader 计数加 1。你可能比较困惑的是，readerCount 怎么还可能为负数呢？其实，这是因为 readerCount 这个字段有双重含义：

• 没有 writer 竞争或持有锁时，readerCount 和我们正常理解的 reader 的计数是一样的；
• 但是，如果有 writer 竞争锁或者持有锁时，那么，readerCount 不仅仅承担着 reader 的计数功能，还能够标识当前是否有 writer 竞争或持有锁，在这种情况下，请求锁的 reader 的处理进入第 4 行，阻塞等待锁的释放。

调用 RUnlock 的时候，我们需要将 Reader 的计数减去 1（第 9 行），因为 reader 的数量减少了一个。但是，第 9 行的 AddInt32 的返回值还有另外一个含义。如果它是负值，就表示当前有 writer 竞争锁，在这种情况下，还会调用 rUnlockSlow 方法，检查是不是 reader 都释放读锁了，如果读锁都释放了，那么可以唤醒请求写锁的 writer 了。

rUnlockSlow 将持有锁的 reader 计数减少 1 的时候，会检查既有的 reader 是不是都已经释放了锁，如果都释放了锁，就会唤醒 writer，让 writer 持有锁。

Lock

RWMutex 是一个多 writer 多 reader 的读写锁，所以同时可能有多个 writer 和 reader。那么，为了避免 writer 之间的竞争，RWMutex 就会使用一个 Mutex 来保证 writer 的互斥。

一旦一个 writer 获得了内部的互斥锁，就会反转 readerCount 字段，把它从原来的正整数 readerCount(>=0) 修改为负数（readerCount-rwmutexMaxReaders），让这个字段保持两个含义（既保存了 reader 的数量，又表示当前有 writer）。

我们来看下下面的代码。第 5 行，还会记录当前活跃的 reader 数量，所谓活跃的 reader，就是指持有读锁还没有释放的那些 reader。

func (rw *RWMutex) Lock() {
    // 首先解决其他 writer 竞争问题
    rw.w.Lock()
    // 反转 readerCount，告诉 reader 有 writer 竞争锁
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
    // 如果当前有 reader 持有锁，那么需要等待
    if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {
        runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false, 0)
    }
}

如果 readerCount 不是 0，就说明当前有持有读锁的 reader，RWMutex 需要把这个当前 readerCount 赋值给 readerWait 字段保存下来（第 7 行）， 同时，这个 writer 进入阻塞等待状态（第 8 行）。

每当一个 reader 释放读锁的时候（调用 RUnlock 方法时），readerWait 字段就减 1，直到所有的活跃的 reader 都释放了读锁，才会唤醒这个 writer。

Unlock

当一个 writer 释放锁的时候，它会再次反转 readerCount 字段。可以肯定的是，因为当前锁由 writer 持有，所以，readerCount 字段是反转过的，并且减去了 rwmutexMaxReaders 这个常数，变成了负数。所以，这里的反转方法就是给它增加 rwmutexMaxReaders 这个常数值。

既然 writer 要释放锁了，那么就需要唤醒之后新来的 reader，不必再阻塞它们了，让它们继续执行就好了。

在 RWMutex 的 Unlock 返回之前，需要把内部的互斥锁释放。释放完毕后，其他的 writer 才可以继续竞争这把锁。

func (rw *RWMutex) Unlock() {
    // 告诉 reader 没有活跃的 writer 了
    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)
    
    // 唤醒阻塞的 reader 们
    for i := 0; i < int(r); i++ {
        runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)
    }
    // 释放内部的互斥锁
    rw.w.Unlock()
}