【Golang 面试 - 进阶题】每日 3 题（二）

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📚专栏简介：在这个专栏中，我将会分享 Golang 面试中常见的面试题给大家~
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4. R WMutex 实现

sync.RWMutex 是 Go 语言标准库提供的一种读写锁，用于在多个 goroutine 同时访问共享资源时进行保护。与 sync.Mutex 类似，sync.RWMutex 也是通过互斥锁实现的，但是它允许多个 goroutine 同时获取读锁，而只允许一个 goroutine 获取写锁。

下面是一个简单的 sync.RWMutex 的实现示例：

type RWMutex struct {writerSem    chan struct{} // 写者用的信号量readerSem    chan struct{} // 读者用的信号量readerCount  int           // 当前持有读锁的goroutine数量writerCount  int           // 当前持有写锁的goroutine数量readerWait   int           // 正在等待读锁的goroutine数量writerWait   int           // 正在等待写锁的goroutine数量writerLocked bool          // 是否有goroutine持有写锁
}
func NewRWMutex() *RWMutex {return &RWMutex{writerSem: make(chan struct{}, 1),readerSem: make(chan struct{}, 1),}
}
// 获取读锁
func (m *RWMutex) RLock() {// 获取读锁的过程需要加锁m.writerSem <- struct{}{} // 防止写者获取锁m.readerSem <- struct{}{} // 获取读锁的信号量// 更新状态m.readerCount++if m.writerLocked || m.writerWait > 0 {m.readerWait++<-m.readerSem // 等待写者释放锁m.readerWait--}// 释放加锁时获取的信号量<-m.writerSem
}
// 释放读锁
func (m *RWMutex) RUnlock() {// 获取读锁的过程需要加锁m.writerSem <- struct{}{} // 防止写者获取锁// 更新状态m.readerCount--if m.readerCount == 0 && m.writerWait > 0 {<-m.writerSem // 优先唤醒写者}// 释放加锁时获取的信号量<-m.writerSem
}
// 获取写锁
func (m *RWMutex) Lock() {// 获取写锁的过程需要加锁m.writerSem <- struct{}{} // 防止其他写者获取锁m.writerWait++// 等待其他goroutine释放读锁或写锁for m.writerLocked || m.readerCount > 0 {<-m.readerSem}// 更新状态m.writerWait--m.writerLocked = true// 释放加锁时获取的信号量<-m.writerSem
}
// 释放写锁
func (m *RWMutex) Unlock() {// 获取写锁的过程需要加锁m.writerSem <- struct{}{}// 更新状态m.writerLocked = falseif m.writerWait > 0 {<-m.writerSem} else if m.readerWait > 0 {for i := 0; i < m.readerCount; i++ {m.readerSem <- struct{}{} // 优先唤醒读者}}// 释放加锁时获取的信号量<-m.writerSem
}

在这个实现中，sync.RWMutex 包含以下成员：

  • writerSem 和 readerSem：两个用于同步的信号量通道。写锁会在 writerSem 上等待，读锁会在 readerSem 上等待。

  • readerCount 和 writerCount：当前持有读锁和写锁的 goroutine 数量。

  • readerWait 和 writerWait：正在等待读锁和写锁的 goroutine 数量。

  • writerLocked：标记当前是否有 goroutine 持有写锁。

在读锁和写锁获取和释放的过程中，都需要先获取 writerSem 信号量防止其他写者获取锁。获取读锁时还需要获取 readerSem 信号量，而获取写锁时需要等待其他 goroutine 释放读锁或写锁。

这个实现中有两个重要的细节：

  • 优先唤醒写者：在释放读锁或写锁时，如果有正在等待的写锁 goroutine，应该优先唤醒它们，因为写锁的优先级更高。

  • 读锁的等待问题：在等待读锁的 goroutine 中，如果有其他 goroutine 正在持有写锁或等待写锁，那么这些读锁 goroutine 应该等待写锁 goroutine 释放锁，避免因等待读锁而导致写锁饥饿。

5. R WMutex 注意事项

  • RWMutex 是单写多读锁，该锁可以加多个读锁或者一个写锁。

  • 读锁占用的情况下会阻止写，不会阻止读，多个 Goroutine 可以同时获取读锁。

  • 写锁会阻止其他 Goroutine（无论读和写）进来，整个锁由该 Goroutine 独占。

  • 适用于读多写少的场景。

  • RWMutex 类型变量的零值是一个未锁定状态的互斥锁。

  • RWMutex 在首次被使用之后就不能再被拷贝。

  • RWMutex 的读锁或写锁在未锁定状态，解锁操作都会引发 panic。

  • RWMutex 的一个写锁去锁定临界区的共享资源，如果临界区的共享资源已被（读锁或写锁）锁定，这个写锁操作的 goroutine 将被阻塞直到解锁。

  • RWMutex 的读锁不要用于递归调用，比较容易产生死锁。

  • RWMutex 的锁定状态与特定的 goroutine 没有关联。一个 goroutine 可以 RLock（Lock），另一个 goroutine 可以 RUnlock（Unlock）。

  • 写锁被解锁后，所有因操作锁定读锁而被阻塞的 goroutine 会被唤醒，并都可以成功锁定读锁。

  • 读锁被解锁后，在没有被其他读锁锁定的前提下，所有因操作锁定写锁而被阻塞的 Goroutine，其中等待时间最长的一个 Goroutine 会被唤醒。

 6. Go 读写锁的实现原理？

概念：

读写互斥锁 RWMutex，是对 Mutex 的一个扩展，当一个 goroutine 获得了读锁后，其他 goroutine 可以获取读锁，但不能获取写锁；当一个 goroutine 获得了写锁后，其他 goroutine 既不能获取读锁也不能获取写锁（只能存在一个写者或多个读者，可以同时读）。

使用场景：

读多于写的情况（既保证线程安全，又保证性能不太差）。

底层实现结构：

互斥锁对应的是底层结构是 sync.RWMutex 结构体，，位于 src/sync/rwmutex.go 中

type RWMutex struct {w           Mutex  // 复用互斥锁writerSem   uint32 // 信号量，用于写等待读readerSem   uint32 // 信号量，用于读等待写readerCount int32  // 当前执行读的 goroutine 数量readerWait  int32  // 被阻塞的准备读的 goroutine 的数量
}

操作:

读锁的加锁与释放

func (rw *RWMutex) RLock() // 加读锁
func (rw *RWMutex) RUnlock() // 释放读锁

加读锁

func (rw *RWMutex) RLock() {
// 为什么readerCount会小于0呢？往下看发现writer的Lock()会对readerCount做减法操作（原子操作）if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {// A writer is pending, wait for it.runtime_Semacquire(&rw.readerSem)}
}

atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) 调用这个原子方法，对当前在读的数量加 1，如果返回负数，那么说明当前有其他写锁，这时候就调用 runtime_SemacquireMutex 休眠当前 goroutine 等待被唤醒。

释放读锁

解锁的时候对正在读的操作减 1，如果返回值小于 0 那么说明当前有在写的操作，这个时候调用 rUnlockSlow 进入慢速通道。

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

被阻塞的准备读的 goroutine 的数量减 1，readerWait 为 0，就表示当前没有正在准备读的 goroutine 这时候调用 runtime_Semrelease 唤醒写操作。

func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {// A writer is pending.if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {// The last reader unblocks the writer.runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)}
}

写锁的加锁与释放。

func (rw *RWMutex) Lock() // 加写锁
func (rw *RWMutex) Unlock() // 释放写锁

加写锁

const rwmutexMaxReaders = 1 << 30
func (rw *RWMutex) Lock() {// First, resolve competition with other writers.rw.w.Lock()// Announce to readers there is a pending writer.r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders// Wait for active readers.if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {runtime_Semacquire(&rw.writerSem)}
}

首先调用互斥锁的 lock，获取到互斥锁之后，如果计算之后当前仍然有其他 goroutine 持有读锁，那么就调用 runtime_SemacquireMutex 休眠当前的 goroutine 等待所有的读操作完成

这里readerCount 原子性加上一个很大的负数，是防止后面的协程能拿到读锁，阻塞读

释放写锁

func (rw *RWMutex) Unlock() {// Announce to readers there is no active writer.r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)// Unblock blocked readers, if any.for i := 0; i < int(r); i++ {runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false)}// Allow other writers to proceed.rw.w.Unlock()
}

解锁的操作，会先调用 atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders) 将恢复之前写入的负数，然后根据当前有多少个读操作在等待，循环唤醒

注意点：

  • 读锁或写锁在 Lock() 之前使用 Unlock() 会导致 panic 异常。

  • 使用 Lock() 加锁后，再次 Lock() 会导致死锁（不支持重入），需 Unlock() 解锁后才能再加锁。

  • 锁定状态与 goroutine 没有关联，一个 goroutine 可以 RLock（Lock），另一个 goroutine 可以 RUnlock（Unlock）。

互斥锁和读写锁的区别：

  • 读写锁区分读者和写者，而互斥锁不区分。

  • 互斥锁同一时间只允许一个线程访问该对象，无论读写；读写锁同一时间内只允许一个写者，但是允许多个读者同时读对象。

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