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Go八股（Ⅵ）Goroutine 以及其中的锁和思想

news 2025/6/28 11:22:03

Goroutine与并发编程的关系

什么是并发

是指多个任务在同一时间段内进行处理，但不一定是在同一时刻执行。并发强调的是“结构上的并行性”，也就是说，程序能够在一个时间端内同时处理多个任务，但是这些任务可能是交替进行的。例如：一个cpu可以迅速切换任务的上下文，给人一种多个任务在“并行”执行的感觉。

并发的主要特点是能够处理多个任务，而这些任务并不需要同时执行，但在某种情况下它们可以并行执行。并发的关键在于如何有效的切换任务和处理共享资源。

并发的核心就是让多个任务有机会被处理，而不需要等待其他任务完全结束。

goroutine与并发的关系

在Go语言中，goruoutine是并发的基本单位，它是一种轻量级的线程，由Go运行时管理。与传统的线程相比，goroutine占用的资源非常小，因此在程序中启动成千上万个goroutine，不会造成过高的开销。

goroutine通过Go的调度器进行管理，调度器负责讲goroutine映射到操作系统的线程上。goroutine在并发模型中的作用是允许程序处理多个任务，它的本质是轻量级的“线程”，但由于Go提供了对goroutine的高效调度，goroutine的使用非常灵活和高效。

goroutine 如何实现并发？

轻量级任务：goroutine 被设计为非常轻量级的任务。启动一个 goroutine 需要的内存比传统线程要少很多，因此你可以并发执行成千上万的 goroutine。
自动调度：Go 运行时内置的调度器会自动将 goroutine 映射到 CPU 上的可用线程上，从而实现并发执行。Go 程序不需要手动管理线程池或调度机制。
非阻塞执行：在执行 goroutine 时，即使某个 goroutine 因为 I/O 操作或其他原因阻塞了，Go 的调度器仍然可以将其他 goroutine 调度到 CPU 上继续执行，从而保持并发运行。

Go语言中的锁

互斥锁，读写锁

锁的思想：乐观锁，悲观锁

互斥锁（）

1.1定义

互斥锁是一个用于保护临界区的同步用语，它的所用是确保统一时刻只有一个goroutine能访问被保护的共享资源。通过互斥锁，可以避免并发访问带来的数据竞争问题。

1.2示例代码：

package mainimport ("fmt""sync"
)var (mutex sync.Mutexcount int
)func increment() {mutex.Lock()   // 获取锁count++mutex.Unlock() // 释放锁
}func main() {var wg sync.WaitGroup// 启动多个 goroutine 并发执行for i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1)go func() {defer wg.Done()increment()}()}wg.Wait() // 等待所有 goroutine 完成fmt.Println("Final count:", count)
}

在这个示例中，mutex 被用来确保同一时刻只有一个 goroutine 能够访问 count 变量。由于有多个 goroutine 在并发地执行 increment 函数，通过 mutex.Lock() 和 mutex.Unlock() 确保了线程安全。

1.3注意事项

死锁：如果一个 goroutine 在持有锁时没有及时释放锁，或者两个 goroutine 相互等待对方释放锁，可能会导致死锁。为了避免死锁，确保每个 Lock() 都有对应的 Unlock()，并且尽量减少锁持有的时间。
锁的嵌套：避免在持有锁时再次请求锁，除非非常必要，否则会增加死锁的风险。

读写锁

2.1 定义与原理

读写锁（RWMutex）是为了优化读操作频繁的场景设计的锁。与互斥锁不同，读写锁允许多个 goroutine 同时进行读操作，但写操作是互斥的，只有在没有任何读操作或写操作进行时，才能进行写操作。

RLock()：用于加读锁，多个 goroutine 可以同时持有读锁，只要没有其他 goroutine 持有写锁。
RUnlock()：释放读锁。
Lock()：用于加写锁，写锁是独占的，只有一个 goroutine 可以持有写锁。
Unlock()：释放写锁。

2.2 使用示例

package mainimport ("fmt""sync"
)var (rwMutex sync.RWMutexdata    int
)func read() {rwMutex.RLock()  // 获取读锁defer rwMutex.RUnlock()fmt.Println("Reading data:", data)
}func write(value int) {rwMutex.Lock()   // 获取写锁defer rwMutex.Unlock()data = valuefmt.Println("Writing data:", value)
}func main() {var wg sync.WaitGroup// 启动多个 goroutine 执行读操作for i := 0; i < 5; i++ {wg.Add(1)go func() {defer wg.Done()read()}()}// 启动一个 goroutine 执行写操作wg.Add(1)go func() {defer wg.Done()write(42)}()wg.Wait()
}

在这个示例中，read 函数通过 rwMutex.RLock() 获取读锁，允许多个 goroutine 同时执行读取操作。而 write 函数则通过 rwMutex.Lock() 获取写锁，保证写操作是独占的，不会与读操作同时进行。

2.3 适用场景

读多写少：读写锁特别适合读多写少的场景。当读操作远远多于写操作时，使用读写锁可以显著提高性能，因为多个读操作可以并发执行，而不必等待锁的释放。
写操作必须独占：写操作会阻塞所有读操作和其他写操作，确保写操作的安全性。

2.4 与互斥锁的区别

互斥锁是严格的互斥机制，即同一时刻只能有一个 goroutine 执行临界区代码（无论是读还是写）。
读写锁允许多个 goroutine 同时读共享资源，但在写共享资源时，写操作需要独占资源。

当程序中存在大量读操作时，读写锁可以提供更高的并发性，因为它允许多个读操作同时进行，而不会像互斥锁那样相互阻塞。

3. 何时使用互斥锁，何时使用读写锁？

使用互斥锁：
- 如果操作是读写混合的，或者读写的比例相当，使用互斥锁会更简单直接。
- 如果共享资源的访问量很小，读写锁可能带来的复杂性不值得使用。
使用读写锁：
- 如果你的应用场景下，读操作远多于写操作，使用读写锁可以提高性能，允许多个 goroutine 并发读数据，同时保证写操作的独占性。
- 读写锁比互斥锁更复杂，因此如果读写比不明显，使用互斥锁可能更为简单

两种锁的思想：悲观锁和乐观锁

悲观锁

2.1 定义与原理

悲观锁的核心思想是假设并发操作会引发冲突，因此在访问共享资源时，采用加锁的方式防止其他 goroutine 同时访问该资源。只有在获取锁之后，才能对共享资源进行操作，其他 goroutine 必须等待锁被释放。

特点：总是先加锁，再访问资源，保证在同一时刻只有一个 goroutine 能够访问资源。
锁的粒度：锁的粒度较大（例如，一次获取整个资源的锁），因此会影响系统的并发性能。

在 Go 中，sync.Mutex 和 sync.RWMutex 就是典型的悲观锁实现：

sync.Mutex：互斥锁，整个资源加锁，防止其他 goroutine 访问。
sync.RWMutex：读写锁，写操作是互斥的，而读操作可以并发执行，但在写操作时，所有读操作和其他写操作会被阻塞。

2.2 示例

假设我们有一个共享变量，需要通过悲观锁来保护：

package mainimport ("fmt""sync"
)var (mutex sync.Mutexcount int
)func increment() {mutex.Lock()   // 获取锁defer mutex.Unlock()count++
}func main() {var wg sync.WaitGroupfor i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1)go func() {defer wg.Done()increment()}()}wg.Wait()fmt.Println("Final count:", count)
}

在这个示例中，mutex.Lock() 和 mutex.Unlock() 确保了只有一个 goroutine 能访问 count 变量，这就是一种典型的悲观锁机制。

2.3 使用场景

悲观锁通常用于以下场景：

资源竞争严重：当多个 goroutine 频繁争抢资源时，悲观锁能确保对资源的访问是互斥的，避免并发问题。
数据一致性要求高：当你无法接受并发操作对数据产生不一致时，使用悲观锁可以避免这类问题。

然而，悲观锁可能导致性能瓶颈，因为锁住了共享资源的访问，其他 goroutine 必须等待锁释放，导致并发性降低。

乐观锁

3.1 定义与原理

与悲观锁相对，乐观锁的核心思想是假设并发操作不会引发冲突，因此它不主动加锁，而是乐观地认为不会有并发冲突。在操作共享资源之前，乐观锁并不会加锁，而是在操作后检测是否发生了冲突。如果冲突发生，则回滚操作，重试或者放弃。

乐观锁通常通过一些“版本控制”机制来实现，例如通过“版本号”或者“时间戳”来判断数据是否发生变化。

特点：乐观锁不会阻塞其他 goroutine，只有在数据写入时才检测冲突。通常适用于读多写少的场景。
回滚重试机制：如果在提交操作时发现冲突，乐观锁通常会选择回滚并重试。

3.2 示例

Go 本身并没有直接实现乐观锁，但你可以通过一些简单的机制来模拟乐观锁。一个常见的方法是通过版本号（或时间戳）来判断资源是否被修改。

package mainimport ("fmt""sync"
)type Counter struct {value intversion int // 版本号，用于乐观锁mu sync.Mutex
}func (c *Counter) increment() bool {c.mu.Lock()defer c.mu.Unlock()// 记录当前版本号currentVersion := c.version// 执行增量操作c.value++// 模拟乐观锁：如果版本号没有变化，认为没有并发冲突if c.version == currentVersion {c.version++return true // 操作成功}// 如果版本号发生变化，表示有其他操作修改了数据，返回失败return false
}func main() {var wg sync.WaitGroupcounter := &Counter{}for i := 0; i < 10; i++ {wg.Add(1)go func() {defer wg.Done()// 模拟乐观锁重试for !counter.increment() {fmt.Println("Retrying...")}}()}wg.Wait()fmt.Println("Final count:", counter.value)
}

3.3 使用场景

乐观锁适用于以下场景：

读操作远多于写操作：在大多数情况下，数据不会发生冲突，乐观锁能够减少不必要的加锁，提高性能。
冲突发生概率低：如果你知道并发冲突发生的概率非常低，使用乐观锁可以提高效率。
需要高并发读操作：乐观锁不需要加锁，允许多个 goroutine 同时读取数据，适用于高并发读场景。

然而，乐观锁的缺点在于需要处理冲突时的回滚和重试，尤其是在高并发写操作的场景中，重试的开销可能非常大。

乐观锁与悲观锁的对比

特性	悲观锁	乐观锁
假设	假设并发冲突会发生，采取措施避免冲突	假设并发冲突不会发生，事后检查冲突
加锁方式	总是加锁，互斥访问	不加锁，事后检查冲突
性能	可能影响并发性能，锁竞争时会阻塞	高并发读取时性能较好，但有回滚重试开销
适用场景	资源竞争严重，数据一致性要求高	读多写少，冲突概率低的场景