go语言读写锁和互斥锁 golang读写锁和互斥锁

golang - channel

通过var声明或者make函数创建的channel变量是一个存储在函数栈帧上的指针，占用8个字节，指向堆上的hchan结构体

源码包中src/runtime/chan.go定义了hchan的数据结构如下：

hchan结构体的主要组成部分有四个：

用来保存goroutine之间传递数据的循环数组：buf

用来记录此循环数组当前发送或接收数据的下标值：sendx和recvx

用于保存向该chan发送和从该chan接收数据被阻塞的goroutine队列： sendq 和 recvq

保证channel写入和读取数据时线程安全的锁：lock

环形数组作为channel 的缓冲区 数组的长度就是定义channnel 时channel 的缓冲大小

在hchan 中包括了读/写 等待队列， waitq是一个双向队列，包括了一个头结点和尾节点。 每个节点是一个sudog结构体变量

channel有2种类型：无缓冲、有缓冲， 在创建时 make(chan type cap) 通过cap 设定缓冲大小

channel有3种模式：写操作模式（单向通道）、读操作模式（单向通道）、读写操作模式（双向通道）

channel有3种状态：未初始化、正常、关闭

如下几种状态会引发panic

channel 是线程安全的，channel的底层实现中，hchan结构体中采用Mutex锁来保证数据读写安全。在对循环数组buf中的数据进行入队和出队操作时，必须先获取互斥锁，才能操作channel数据

相关问答

Q1: （十一）golang 内存分析

编写过C语言程序的肯定知道通过malloc()方法动态申请内存go语言读写锁和互斥锁，其中内存分配器使用的是glibc提供的ptmalloc2。 除了glibcgo语言读写锁和互斥锁，业界比较出名的内存分配器有Google的tcmalloc和Facebook的jemalloc。二者在避免内存碎片和性能上均比glic有比较大的优势go语言读写锁和互斥锁，在多线程环境中效果更明显。

Golang中也实现了内存分配器go语言读写锁和互斥锁，原理与tcmalloc类似，简单的说就是维护一块大的全局内存，每个线程(Golang中为P)维护一块小的私有内存，私有内存不足再从全局申请。另外，内存分配与GC（垃圾回收）关系密切，所以了解GC前有必要了解内存分配的原理。

为了方便自主管理内存，做法便是先向系统申请一块内存，然后将内存切割成小块，通过一定的内存分配算法管理内存。 以64位系统为例，Golang程序启动时会向系统申请的内存如下图所示：

预申请的内存划分为spans、bitmap、arena三部分。其中arena即为所谓的堆区，应用中需要的内存从这里分配。其中spans和bitmap是为了管理arena区而存在的。

arena的大小为512G，为了方便管理把arena区域划分成一个个的page，每个page为8KB,一共有512GB/8KB个页；

spans区域存放span的指针，每个指针对应一个page，所以span区域的大小为(512GB/8KB)乘以指针大小8byte = 512M

bitmap区域大小也是通过arena计算出来，不过主要用于GC。

span是用于管理arena页的关键数据结构，每个span中包含1个或多个连续页，为了满足小对象分配，span中的一页会划分更小的粒度，而对于大对象比如超过页大小，则通过多页实现。

根据对象大小，划分了一系列class，每个class都代表一个固定大小的对象，以及每个span的大小。如下表所示：

上表中每列含义如下：

class： class ID，每个span结构中都有一个class ID, 表示该span可处理的对象类型

bytes/obj：该class代表对象的字节数

bytes/span：每个span占用堆的字节数，也即页数乘以页大小

objects: 每个span可分配的对象个数，也即（bytes/spans）/（bytes/obj）waste

bytes: 每个span产生的内存碎片，也即（bytes/spans）%（bytes/obj）上表可见最大的对象是32K大小，超过32K大小的由特殊的class表示，该class ID为0，每个class只包含一个对象。

span是内存管理的基本单位,每个span用于管理特定的class对象, 跟据对象大小，span将一个或多个页拆分成多个块进行管理。src/runtime/mheap.go:mspan定义了其数据结构：

以class 10为例，span和管理的内存如下图所示：

spanclass为10，参照class表可得出npages=1,nelems=56,elemsize为144。其中startAddr是在span初始化时就指定了某个页的地址。allocBits指向一个位图，每位代表一个块是否被分配，本例中有两个块已经被分配，其allocCount也为2。next和prev用于将多个span链接起来，这有利于管理多个span，接下来会进行说明。

有了管理内存的基本单位span，还要有个数据结构来管理span，这个数据结构叫mcentral，各线程需要内存时从mcentral管理的span中申请内存，为了避免多线程申请内存时不断的加锁，Golang为每个线程分配了span的缓存，这个缓存即是cache。src/runtime/mcache.go:mcache定义了cache的数据结构

alloc为mspan的指针数组，数组大小为class总数的2倍。数组中每个元素代表了一种class类型的span列表，每种class类型都有两组span列表，第一组列表中所表示的对象中包含了指针，第二组列表中所表示的对象不含有指针，这么做是为了提高GC扫描性能，对于不包含指针的span列表，没必要去扫描。根据对象是否包含指针，将对象分为noscan和scan两类，其中noscan代表没有指针，而scan则代表有指针，需要GC进行扫描。mcache和span的对应关系如下图所示：

mchache在初始化时是没有任何span的，在使用过程中会动态的从central中获取并缓存下来，跟据使用情况，每种class的span个数也不相同。上图所示，class 0的span数比class1的要多，说明本线程中分配的小对象要多一些。

cache作为线程的私有资源为单个线程服务，而central则是全局资源，为多个线程服务，当某个线程内存不足时会向central申请，当某个线程释放内存时又会回收进central。src/runtime/mcentral.go:mcentral定义了central数据结构：

lock: 线程间互斥锁，防止多线程读写冲突

spanclass : 每个mcentral管理着一组有相同class的span列表

nonempty: 指还有内存可用的span列表

empty: 指没有内存可用的span列表

nmalloc: 指累计分配的对象个数线程从central获取span步骤如下：

将span归还步骤如下：

从mcentral数据结构可见，每个mcentral对象只管理特定的class规格的span。事实上每种class都会对应一个mcentral,这个mcentral的集合存放于mheap数据结构中。src/runtime/mheap.go:mheap定义了heap的数据结构：

lock： 互斥锁

spans: 指向spans区域，用于映射span和page的关系

bitmap：bitmap的起始地址

arena_start: arena区域首地址

arena_used: 当前arena已使用区域的最大地址

central: 每种class对应的两个mcentral

从数据结构可见，mheap管理着全部的内存，事实上Golang就是通过一个mheap类型的全局变量进行内存管理的。mheap内存管理示意图如下：

系统预分配的内存分为spans、bitmap、arean三个区域，通过mheap管理起来。接下来看内存分配过程。

针对待分配对象的大小不同有不同的分配逻辑：

(0, 16B) 且不包含指针的对象： Tiny分配

(0, 16B) 包含指针的对象：正常分配

[16B, 32KB] : 正常分配

(32KB, -) : 大对象分配其中Tiny分配和大对象分配都属于内存管理的优化范畴，这里暂时仅关注一般的分配方法。

以申请size为n的内存为例，分配步骤如下：

Golang内存分配是个相当复杂的过程，其中还掺杂了GC的处理，这里仅仅对其关键数据结构进行了说明，了解其原理而又不至于深陷实现细节。1、Golang程序启动时申请一大块内存并划分成spans、bitmap、arena区域

2、arena区域按页划分成一个个小块。

3、span管理一个或多个页。

4、mcentral管理多个span供线程申请使用

5、mcache作为线程私有资源，资源来源于mcentral。

Q2: 24.读写锁

读写锁（ReentrantReadWriteLock）就是读线程和读线程之间不互斥。

读读不互斥，读写互斥，写写互斥

使用方法：

也就是说，当使用 ReadWriteLock 的时候，并不是直接使用，而是获得其内部的读锁和写锁，然后分别调用lock/unlock

从下面的构造方法可以看出，readerLock和writerLock实际共用同一个sync对象。sync对象同互斥锁一样，分为非公平和公平两种策略，并继承自AQS。

state： 同互斥锁一样，读写锁也是用state变量来表示锁状态的。只是state变量在这里的含义和互斥锁完全不同。在内部类Sync中，对state变量进行了重新定义.也就是把 state 变量拆成两半，低16位，用来记录写锁。但同一时间既然只能有一个线程写，为什么还需要16位呢？这是因为一个写线程可能多次重入。例如，低16位的值等于5，表示一个写线程重入了5次。高16位，用来“读”锁。例如，高16位的值等于5，既可以表示5个读线程都拿到了该锁；也可以表示一个读线程重入了5次。

为什么要把一个int类型变量拆成两半，而不是用两个int型变量分别表示读锁和写锁的状态呢？

在ReentrantReadWriteLock的两个内部类ReadLock和WriteLock中，是如何使用state变量的。

acquire/release、acquireShared/releaseShared 是AQS里面的两对模板方法。互斥锁和读写锁的写锁都是基于acquire/release模板方法来实现的。读写锁的读锁是基于acquireShared/releaseShared这对模板方法来实现的。

对于公平 ，比较容易理解，不论是读锁，还是写锁，只要队列中有其他线程在排队（排队等读锁，或者排队等写锁），就不能直接去抢锁，要排在队列尾部。

对于非公平 ，读锁和写锁的实现策略略有差异。

写线程能抢锁，前提是state=0，只有在没有其他线程持有读锁或写锁的情况下，它才有机会去抢锁。或者state != 0，但那个持有写锁的线程是它自己，再次重入。写线程是非公平的，即writerShouldBlock()方法一直返回false。

对于读线程，假设当前线程被读线程持有，然后其他读线程还非公平地一直去抢，可能导致写线程永远拿不到锁，所以对于读线程的非公平，要做一些“约束”。当发现队列的第1个元素是写线程的时候，读线程也要阻塞，不能直接去抢。即偏向写线程。

写锁是排它锁，实现类似互斥锁。

tryLock()实现分析（非阻塞）

lock()方法（阻塞）

tryLock和lock方法不区分公平/非公平。ReentrantReadWriteLock的FairSync 和 NonfairSync 区别是 writerShouldBlock()、readerShouldBlock() 两个方法，是在抢锁的时候用到的。FairSync 中的writerShouldBlock()方法，其中是写线程是有优先级的

unlock()实现分析

trylock

lock

readerShouldBlock()在公平和非公平中实现。

unlock()实现分析

tryReleaseShared()的实现：

因为读锁是共享锁，多个线程会同时持有读锁，所以对读锁的释放不能直接减1，而是需要通过一个for循环+CAS操作不断重试。这是读锁的tryReleaseShared和写锁tryRelease的根本差异所在。

Q3: 线程同步互斥锁和读写锁的区别和各自适用场景

读写锁特点：

1）多个读者可以同时进行读

2）写者必须互斥（只允许一个写者写，也不能读者写者同时进行）

3）写者优先于读者（一旦有写者，则后续读者必须等待，唤醒时优先考虑写者）

互斥锁特点：

一次只能一个线程拥有互斥锁，其他线程只有等待

自旋锁：

一次只能有一个进程进入临界区，读写锁是自旋锁的一个特例。

应用场景：

以队列操作为例：

线程A对队列负责将数据写入队列。须采取“互斥锁”或“读写锁的写锁”

线程B队列负责从队列读出数据。须采取“互斥锁”或“读写锁的写锁”，读队列操作，不可采取“读写锁的读锁”，因为从队列读出数据时，需要更改队列本身的下标索引，如果多个线程同时操作该队列的话，就会导致队列下标索引混乱。

Q4: Go语言设计与实现（上）

基本设计思路：

类型转换、类型断言、动态派发。iface，eface。

反射对象具有的方法：

编译优化：

内部实现：

实现 Context 接口有以下几个类型（空实现就忽略了）：

互斥锁的控制逻辑：

设计思路：

（以上为写被读阻塞，下面是读被写阻塞）

总结，读写锁的设计还是非常巧妙的：

设计思路：

WaitGroup 有三个暴露的函数:

部件：

设计思路：

结构：

Once 只暴露了一个方法：

实现：

三个关键点：

细节：

让多协程任务的开始执行时间可控（按顺序或归一）。（Context 是控制结束时间）

设计思路： 通过一个锁和内置的 notifyList 队列实现，Wait() 会生成票据，并将等待协程信息加入链表中，等待控制协程中发送信号通知一个（Signal()）或所有（Boardcast()）等待者（内部实现是通过票据通知的）来控制协程解除阻塞。

暴露四个函数：

实现细节：

部件：

包： golang.org/x/sync/errgroup

作用：开启 func() error 函数签名的协程，在同 Group 下协程并发执行过程并收集首次 err 错误。通过 Context 的传入，还可以控制在首次 err 出现时就终止组内各协程。

设计思路：

结构：

暴露的方法：

实现细节：

注意问题：

包： "golang.org/x/sync/semaphore"

作用：排队借资源（如钱，有借有还）的一种场景。此包相当于对底层信号量的一种暴露。

设计思路：有一定数量的资源 Weight，每一个 waiter 携带一个 channel 和要借的数量 n。通过队列排队执行借贷。

结构：

暴露方法：

细节：

部件：

细节：

包： "golang.org/x/sync/singleflight"

作用：防击穿。瞬时的相同请求只调用一次，response 被所有相同请求共享。

设计思路：按请求的 key 分组（一个 *call 是一个组，用 map 映射存储组），每个组只进行一次访问，组内每个协程会获得对应结果的一个拷贝。

结构：

逻辑：

细节：

部件：

如有错误，请批评指正。

Q5: 在鸿蒙os中常用的两种线程锁是什么

互斥锁(共享-独占锁)和读写锁。HarmonyOS线程常用的两种锁go语言读写锁和互斥锁：互斥锁(共享-独占锁)和读写锁。共享锁该锁可以被多个线程所持有。读写锁是一把锁分为两部分go语言读写锁和互斥锁：读锁和写锁go语言读写锁和互斥锁，其中读锁允许多个线程同时获得go语言读写锁和互斥锁，因为读操作本身是线程安全的，而写锁则是互斥锁，不允许多个线程同时获得写锁。

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