作者：陈明勇
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前言

Go 语言以 高并发 著称，其并发操作是重要特性之一。虽然并发可以提高程序性能和效率，但同时也可能带来 竞态条件 和 死锁 等问题。为了避免这些问题，Go 提供了许多 并发原语，例如 Mutex、RWMutex、WaitGroup、Channel 等，用于实现同步、协调和通信等操作。

本文将着重介绍 Go 的 Mutex 并发原语，它是一种锁类型，用于实现共享资源互斥访问。

说明：本文使用的代码基于的 Go 版本：1.20.1

Mutex

基本概念

Mutex 是 Go 语言中互斥锁的实现，它是一种同步机制，用于控制多个 goroutine 之间的并发访问。当多个 goroutine 尝试同时访问同一个共享资源时，可能会导致数据竞争和其他并发问题，因此需要使用互斥锁来协调它们之间的访问。

在上述图片中，我们可以将绿色部分看作是临界区。当 g1 协程通过 mutex 对临界区进行加锁后，临界区将会被锁定。此时如果 g2 想要访问临界区，就会失败并进入阻塞状态，直到锁被释放，g2 才能拿到临界区的访问权。

结构体介绍

type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

字段：

• state

  state 是一个 int32 类型的变量，它存储着 Mutex 的各种状态信息（未加锁、被加锁、唤醒状态、饥饿状态），不同状态通过位运算进行计算。

• sema

  sema 是一个信号量，用于实现 Mutex 的等待和唤醒机制。

方法：

• Lock()

  Lock() 方法用于获取 Mutex 的锁，如果 Mutex 已经被其他的 goroutine 锁定，则 Lock() 方法会一直阻塞，直到该 goroutine 获取到锁为止。

• UnLock()

  Unlock() 方法用于释放 Mutex 的锁，将 Mutex 的状态设置为未锁定的状态。

• TryLock()

  Go 1.18 版本以后，sync.Mutex 新增一个 TryLock() 方法，该方法为非阻塞式的加锁操作，如果加锁成功，返回 true，否则返回 false。

  虽然 TryLock() 的用法确实存在，但由于其使用场景相对较少，因此在使用时应该格外谨慎。TryLock() 方法注释如下所示：

  // Note that while correct uses of TryLock do exist, they are rare,
  // and use of TryLock is often a sign of a deeper problem
  // in a particular use of mutexes.
  

代码示例

我们先来看一个有并发安全问题的例子

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

var cnt int

func main() {
   var wg sync.WaitGroup
   for i := 0; i < 10; i++ {
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         for j := 0; j < 10000; j++ {
            cnt++
         }
      }()
   }
   wg.Wait()
   fmt.Println(cnt)
}

在这个例子中，预期的 cnt 结果为 10 * 10000 = 100000。但是由于多个 goroutine 并发访问了共享变量 cnt，并且没有进行任何同步操作，可能导致读写冲突（race condition），从而影响 cnt 的值和输出结果的正确性。这种情况下，不能确定最终输出的 cnt 值是多少，每次执行程序得到的结果可能不同。

在这种情况下，可以使用互斥锁（sync.Mutex）来保护共享变量的访问，保证只有一个 goroutine 能够同时访问 cnt，从而避免竞态条件的问题。修改后的代码如下：

package main

import (
   "fmt"
   "sync"
)

var cnt int
var mu sync.Mutex

func main() {
   var wg sync.WaitGroup
   for i := 0; i < 10; i++ {
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer wg.Done()
         for j := 0; j < 10000; j++ {
            mu.Lock()
            cnt++
            mu.Unlock()
         }
      }()
   }
   wg.Wait()
   fmt.Println(cnt)
}

在这个修改后的版本中，使用互斥锁来保护共享变量 cnt 的访问，可以避免出现竞态条件的问题。具体而言，在 cnt++ 操作前，先执行 Lock() 方法，以确保当前 goroutine 获取到了互斥锁并且独占了共享变量的访问权。在 cnt++ 操作完成后，再执行 Unlock() 方法来释放互斥锁，从而允许其他 goroutine 获取互斥锁并访问共享变量。这样，只有一个 goroutine 能够同时访问 cnt，从而确保了最终输出结果的正确性。

易错场景

忘记解锁

如果使用 Lock() 方法之后，没有调用 Unlock() 解锁，会导致其他 goroutine 被永久阻塞。例如：

package main

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

var mu sync.Mutex
var cnt int

func main() {
   go increase(1)
   go increase(2)

   time.Sleep(time.Second)
   fmt.Println(cnt)
}

func increase(delta int) {
   mu.Lock()
   cnt += delta
}

在上述代码中，通常情况下，cnt 的结果应该为 3。然而没有解锁操作，其中一个 goroutine 被阻塞，导致没有达到预期效果，最终输出的 cnt 可能只能为 1 或 2。

正确的做法是使用 defer 语句在函数返回前释放锁。

func increase(delta int) {
   mu.Lock()
   defer mu.Unlock() // 通过 defer 语句在函数返回前释放锁
   cnt += delta
}

重复加锁

重复加锁操作被称为可重入操作。不同于其他一些编程语言的锁实现（例如 Java 的 ReentrantLock），Go 的 mutex 并不支持可重入操作，如果发生了重复加锁操作，就会导致死锁。例如：

package main

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

var mu sync.Mutex
var cnt int

func main() {
   go increase(1)
   go increase(2)

   time.Sleep(time.Second)
   fmt.Println(cnt)
}

func increase(delta int) {
   mu.Lock()
   mu.Lock()
   cnt += delta
   mu.Unlock()
}

在这个例子中，如果在 increase 函数中重复加锁，将会导致 mu 锁被第二次锁住，而其他 goroutine 将被永久阻塞，从而导致程序死锁。正确的做法是只对需要加锁的代码段进行加锁，避免重复加锁。

基于 Mutex 实现一个简单的线程安全的缓存

import "sync"

type Cache struct {
   data map[string]any
   mu   sync.Mutex
}

func (c *Cache) Get(key string) (any, bool) {
   c.mu.Lock()
   defer c.mu.Unlock()
   value, ok := c.data[key]
   return value, ok
}

func (c *Cache) Set(key string, value any) {
   c.mu.Lock()
   defer c.mu.Unlock()
   c.data[key] = value
}

上述代码实现了一个简单的线程安全的缓存。使用 Mutex 可以保证同一时刻只有一个 goroutine 进行读写操作，避免多个 goroutine 并发读写同一数据时产生数据不一致性的问题。

对于缓存场景，读操作比写操作更频繁，因此使用 RWMutex 代替 Mutex 会更好，因为 RWMutex 允许多个 goroutine 同时进行读操作，只有在写操作时才会进行互斥锁定，从而减少了锁的竞争，提高了程序的并发性能。后续文章会对 RWMutex 进行介绍。

小结

本文主要介绍了 Go 语言中互斥锁 Mutex 的概念、对应的字段和方法、基本使用和易错场景，最后基于 Mutex 实现一个简单的线程安全的缓存。

Mutex 是保证共享资源数据一致性的重要手段，但使用不当会导致性能下降或死锁等问题。因此，在使用 Mutex 时需要仔细考虑代码的设计和并发场景，发挥 Mutex 的最大作用。