在傳統(tǒng)的編程語言中，如C++、Java、Python等，其并發(fā)邏輯多建立在操作系統(tǒng)線程之上。線程間的通信通常依賴于操作系統(tǒng)提供的基礎(chǔ)原語，包括共享內(nèi)存、信號、管道、消息隊列及套接字等，其中共享內(nèi)存是最為普遍的通信方式。但這種基于共享內(nèi)存的并發(fā)模型在復(fù)雜或大規(guī)模業(yè)務(wù)場景下往往顯得復(fù)雜且易于出錯。

Go語言在設(shè)計時即以解決傳統(tǒng)并發(fā)問題為目標(biāo)，融入了CSP（Communicating Sequential Processes，通信順序進(jìn)程）模型的理念。CSP模型致力于簡化并發(fā)編程，目標(biāo)是讓編寫并發(fā)程序的難度與順序程序相當(dāng)。

在CSP模型中，通信和同步通過一種特定的流程實現(xiàn)：生產(chǎn)者產(chǎn)生數(shù)據(jù)，然后通過輸出數(shù)據(jù)到輸入/輸出原語，最終到達(dá)消費(fèi)者。Go語言為實現(xiàn)CSP模型，特別引入了Channel機(jī)制。Goroutine可以通過Channel進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀寫操作，Channel作為連接多個Goroutine的通信橋梁，簡化了并發(fā)編程的復(fù)雜性。

雖然CSP模型在Go語言中占據(jù)主流地位，但Go同樣支持基于共享內(nèi)存的并發(fā)模型。在Go的sync包中，提供了包括互斥鎖、讀寫鎖、條件變量和原子操作等在內(nèi)的多種同步機(jī)制，以滿足不同并發(fā)場景下的需求。

互斥鎖（Mutex）

基本概念

互斥鎖（Mutex）是一種用于在并發(fā)環(huán)境中安全訪問共享資源的機(jī)制。當(dāng)一個協(xié)程獲取到鎖時，它將擁有臨界區(qū)的訪問權(quán)，而其他請求該鎖的協(xié)程將會阻塞，直到該鎖被釋放。

應(yīng)用場景

并發(fā)訪問共享資源的情形非常普遍，例如：

• 秒殺系統(tǒng)
• 多個goroutine并發(fā)修改某個變量
• 同時更新用戶信息

如果沒有互斥鎖的控制，將會導(dǎo)致商品超賣、變量數(shù)值不正確、用戶信息更新錯誤等問題。這時候就需要使用互斥鎖來控制并發(fā)訪問。

基本用法

Mutex實現(xiàn)了Locker接口，提供了兩個方法：Lock和Unlock。

• Lock方法用于對臨界區(qū)上鎖，獲得該鎖的協(xié)程擁有臨界資源的訪問權(quán)，其他請求臨界區(qū)的協(xié)程會阻塞等待該鎖的釋放。
• Unlock方法用于解鎖，釋放鎖使其他協(xié)程可以訪問臨界區(qū)。

package main

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

func main() {
        var mu sync.Mutex
        var count int

        increment := func() {
                mu.Lock()
                defer mu.Unlock()
                count++
                fmt.Println("Count:", count)
        }

        for i := 0; i < 5; i++ {
                go increment()
        }

        time.Sleep(time.Second)
}

易錯場景

• 不可重入的互斥鎖：Go的Mutex是不可重入鎖。由于Mutex鎖沒有記錄鎖的持有者信息，無法得知誰擁有鎖。如果一個獲取了鎖的協(xié)程再次請求鎖，將會被阻塞，形成死鎖。

func example() {
        var mu sync.Mutex
        mu.Lock()
        defer mu.Unlock()
        // Do something...
        mu.Lock() // 死鎖
}

• Lock和Unlock不配對：未正確配對的Lock和Unlock調(diào)用會導(dǎo)致死鎖。如果對已經(jīng)鎖定的鎖再次調(diào)用Lock，將會阻塞；對未鎖定的Mutex調(diào)用Unlock將會panic。

func example() {
        var mu sync.Mutex
        mu.Lock()
        // 未調(diào)用mu.Unlock()
        mu.Unlock() // 正確
}

• 復(fù)制已使用的鎖：復(fù)制已使用的鎖會導(dǎo)致意外的行為。

func example() {
        var mu sync.Mutex
        copyMu := mu
        copyMu.Lock() // 錯誤
}

基本實現(xiàn)

Mutex結(jié)構(gòu)體有兩個字段：state和sema。

type Mutex struct {
        state int32
        sema  uint32
}

State字段的含義

Mutex有以下四種狀態(tài)。

1. mutexLocked：Mutex上鎖標(biāo)志
2. mutexWoken：Mutex喚醒標(biāo)志
3. mutexStarving：Mutex正常/饑餓模式標(biāo)志
4. waiterCount：等待者數(shù)量

Mutex的正常模式和饑餓模式

• 正常模式：等待者隊列遵循先入先出原則，被喚醒的goroutine不會直接獲得鎖，而是與新請求鎖的goroutine競爭鎖。新請求鎖的goroutine由于正在CPU上執(zhí)行，獲得鎖的幾率更大，從而減少上下文切換的性能損失。然而，這可能導(dǎo)致被喚醒的goroutine長時間無法獲得鎖。
• 饑餓模式：當(dāng)?shù)却龝r間超過閾值1毫秒時，進(jìn)入饑餓模式。被喚醒的goroutine被放入等待隊列的隊首，當(dāng)前goroutine在調(diào)用Unlock釋放鎖時，會直接將鎖交給等待隊列的隊首，新請求鎖的goroutine不會參與競爭，而是排到等待隊列的隊尾。當(dāng)?shù)却犃袥]有g(shù)oroutine或等待時間小于1毫秒時，Mutex將從饑餓模式切換回正常模式。

代碼示例

以下代碼展示了如何使用Mutex在并發(fā)環(huán)境中安全地訪問共享資源：

package main

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

func main() {
        var mu sync.Mutex
        var count int

        increment := func() {
                mu.Lock()
                defer mu.Unlock()
                count++
                fmt.Println("Count:", count)
        }

        for i := 0; i < 5; i++ {
                go increment()
        }

        time.Sleep(time.Second)
}

在上述代碼中，多個goroutine同時調(diào)用increment函數(shù)，通過Mutex來確保對共享變量count的訪問是安全的。

讀寫鎖（RWMutex）

基本概念

在并發(fā)編程中，為了保證多個協(xié)程安全地訪問共享資源，我們通常使用Mutex互斥鎖。然而，在讀多寫少的場景下，Mutex會導(dǎo)致性能問題，因為所有操作（包括讀操作）都必須串行進(jìn)行。為了解決這一問題，可以區(qū)分讀操作和寫操作。RWMutex是一種讀寫鎖，同一時間只能被一個寫操作持有，或者被多個讀操作持有。

基本用法

RWMutex提供了五個方法：Lock、Unlock、RLock、RUnlock和RLocker。

• Lock方法用于在寫操作時獲取寫鎖，會阻塞等待當(dāng)前未釋放的寫鎖。當(dāng)處于寫鎖狀態(tài)時，新的讀操作將會阻塞等待。
• Unlock方法用于釋放寫鎖。
• RLock方法用于在讀操作時獲取讀鎖，會阻塞等待當(dāng)前寫鎖的釋放。如果鎖處于讀鎖狀態(tài)，當(dāng)前協(xié)程也能獲取讀鎖。
• RUnlock方法用于釋放讀鎖。
• RLocker方法用于獲取一個Locker接口的對象，調(diào)用其Lock方法時會調(diào)用RLock方法，調(diào)用Unlock方法時會調(diào)用RUnlock方法。

package main

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

func main() {
        var rw sync.RWMutex
        var count int

        write := func() {
                rw.Lock()
                defer rw.Unlock()
                count++
                fmt.Println("Write:", count)
        }

        read := func() {
                rw.RLock()
                defer rw.RUnlock()
                fmt.Println("Read:", count)
        }

        // Start multiple readers
        for i := 0; i < 5; i++ {
                go read()
        }

        // Start a single writer
        go write()

        time.Sleep(time.Second)
}

實現(xiàn)原理

RWMutex主要通過readerCount字段來維護(hù)讀鎖的數(shù)量。寫操作時，會將readerCount減去2的30次方變成一個負(fù)數(shù)，從而阻塞新的讀鎖請求。當(dāng)寫鎖被釋放時，將readerCount加上2的30次方，恢復(fù)成一個整數(shù)并喚醒等待中的讀鎖操作。

易錯場景

RWMutex的易錯場景和Mutex類似，包括以下幾點。

• 不可重入鎖：Go的RWMutex是不可重入鎖。如果一個獲取了鎖的協(xié)程再次請求同一個鎖，將會被阻塞，形成死鎖。

func example() {
        var rw sync.RWMutex
        rw.Lock()
        defer rw.Unlock()
        // Do something...
        rw.Lock() // 死鎖
}

• Lock和Unlock不配對：未正確配對的Lock和Unlock調(diào)用會導(dǎo)致死鎖。如果對已經(jīng)鎖定的鎖再次調(diào)用Lock，將會阻塞；對未鎖定的RWMutex調(diào)用Unlock將會panic。

func example() {
        var rw sync.RWMutex
        rw.Lock()
        // 未調(diào)用rw.Unlock()
        rw.Unlock() // 正確
}

• 復(fù)制已使用的鎖：復(fù)制已使用的鎖會導(dǎo)致意外行為。

func example() {
        var rw sync.RWMutex
        copyRw := rw
        copyRw.Lock() // 錯誤
}

• 隱蔽的死鎖情景：寫鎖操作等待舊的讀鎖的釋放，舊的讀鎖等待新的讀鎖的釋放，新的讀鎖等待寫鎖的釋放，形成死鎖。

package main

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

func main() {
        var rw sync.RWMutex
        var count int

        write := func() {
                rw.Lock()
                defer rw.Unlock()
                count++
                fmt.Println("Write:", count)
        }

        read := func() {
                rw.RLock()
                defer rw.RUnlock()
                fmt.Println("Read:", count)
        }

        // 啟動多個讀操作
        for i := 0; i < 5; i++ {
                go read()
        }

        // 啟動寫操作
        go write()

        time.Sleep(time.Second)
}

在上述代碼中，多個goroutine同時調(diào)用read函數(shù)，通過RWMutex來確保對共享變量count的讀取是安全的。同時，write函數(shù)用于更新共享變量count，確保在寫操作時獨占訪問權(quán)。

死鎖

什么是死鎖

死鎖指的是一組進(jìn)程由于相互持有和等待資源，導(dǎo)致無法繼續(xù)執(zhí)行的狀態(tài)。在這種情況下，所有相關(guān)的進(jìn)程都會無限期阻塞，無法向前推進(jìn)。具體來說，死鎖發(fā)生在一個進(jìn)程持有某些資源并等待其他進(jìn)程釋放其占有的資源，同時這些其他進(jìn)程也在等待第一個進(jìn)程釋放資源，形成相互等待的狀態(tài)。

死鎖的必要條件

死鎖的發(fā)生需要滿足以下四個必要條件。

1. 互斥條件：資源同一時間只能被一個進(jìn)程所擁有。
2. 請求和保持條件：一個進(jìn)程已經(jīng)擁有某些資源，但在等待其他資源時不釋放已持有的資源。
3. 不可剝奪條件：進(jìn)程持有的資源在未使用完畢前，不能被強(qiáng)行剝奪，只能由進(jìn)程自己釋放。
4. 循環(huán)等待條件：存在一個進(jìn)程集合中的每個進(jìn)程都在等待另一個進(jìn)程所持有的資源，形成一個循環(huán)等待鏈。

如何解決死鎖問題

為了解決死鎖問題，可以采取以下兩種策略。

1. 檢測和恢復(fù)：系統(tǒng)可以定期檢測死鎖的存在，并采取措施恢復(fù)。例如，通過回滾進(jìn)程的一部分操作或強(qiáng)制剝奪資源。
2. 破壞死鎖的必要條件是，可以通過設(shè)計系統(tǒng)來破壞死鎖的四個必要條件之一，例如：

• 破壞互斥條件：盡量使用共享資源來減少互斥性。
• 破壞請求和保持條件：在進(jìn)程開始時一次性請求所有資源，或者在請求新的資源之前釋放已持有的資源。
• 破壞不可剝奪條件：設(shè)計成可以強(qiáng)制剝奪資源，如通過優(yōu)先級調(diào)度。
• 破壞循環(huán)等待條件：對資源進(jìn)行排序，并要求進(jìn)程按序請求資源，避免形成循環(huán)等待。

示例代碼

以下是一個Go語言中的死鎖示例，展示了兩個goroutine由于相互等待對方持有的資源而導(dǎo)致的死鎖：

package main

import (
        "fmt"
        "sync"
)

func main() {
        var mutexA, mutexB sync.Mutex

        go func() {
                mutexA.Lock()
                fmt.Println("Goroutine 1: Locked mutexA")
                // Simulate some work
                mutexB.Lock()
                fmt.Println("Goroutine 1: Locked mutexB")
                mutexB.Unlock()
                mutexA.Unlock()
        }()

        go func() {
                mutexB.Lock()
                fmt.Println("Goroutine 2: Locked mutexB")
                // Simulate some work
                mutexA.Lock()
                fmt.Println("Goroutine 2: Locked mutexA")
                mutexA.Unlock()
                mutexB.Unlock()
        }()

        // Wait for goroutines to finish (they won't due to deadlock)
        select {}
}

在上述代碼中，兩個goroutine分別持有mutexA和mutexB，并且嘗試獲取對方的鎖，導(dǎo)致死鎖發(fā)生。每個goroutine無限期等待對方釋放資源，形成相互等待的循環(huán)。

通過了解死鎖的概念、必要條件及解決策略，我們可以更好地設(shè)計并發(fā)程序，避免陷入死鎖狀態(tài)。

WaitGroup

基本概念

WaitGroup 是 Go 語言的 sync 包下提供的一種并發(fā)原語，用來解決并發(fā)編排的問題。它主要用于等待一組 goroutine 完成。假設(shè)一個大任務(wù)需要等待三個小任務(wù)完成才能繼續(xù)執(zhí)行，如果采用輪詢的方法，可能會導(dǎo)致兩個問題：一是小任務(wù)已經(jīng)完成但大任務(wù)需要很久才能被輪詢到，二是輪詢會造成 CPU 資源的浪費(fèi)。因此，WaitGroup 通過阻塞等待并喚醒大任務(wù)的 goroutine 來解決這個問題。

基本用法

WaitGroup 提供了三個方法：Add、Done 和 Wait。

• Add(delta int)：將計數(shù)器增加 delta 值。
• Done()：將計數(shù)器的值減一，相當(dāng)于 Add(-1)。
• Wait()：阻塞等待，直到計數(shù)器的值變?yōu)?0，然后喚醒調(diào)用者。

實現(xiàn)原理

WaitGroup 維護(hù)了兩個計數(shù)器，一個是 v 計數(shù)器，另一個是 w 計數(shù)器。

• 調(diào)用 Add 方法時，v 計數(shù)器的值會增加相應(yīng)的 delta 值。
• 調(diào)用 Done 方法時，v 計數(shù)器的值會減一。
• 調(diào)用 Wait 方法時，w 計數(shù)器的值會加一。當(dāng) v 計數(shù)器的值為 0 時，會喚醒所有的 waiter。

易錯場景

使用 WaitGroup 需要注意以下易錯場景：

• 計數(shù)器的值為負(fù)數(shù)會引發(fā) panic；
• v 計數(shù)器增加的值大于減少的值，會造成一直阻塞。

示例代碼

以下是一個使用 WaitGroup 的示例代碼：

package main

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

func worker(id int, wg *sync.WaitGroup) {
        defer wg.Done() // Done() 方法用于減少計數(shù)器
        fmt.Printf("Worker %d starting\n", id)
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Printf("Worker %d done\n", id)
}

func main() {
        var wg sync.WaitGroup

        for i := 1; i <= 3; i++ {
                wg.Add(1) // Add() 方法增加計數(shù)器
                go worker(i, &wg)
        }

        wg.Wait() // Wait() 方法阻塞等待所有計數(shù)器為 0
        fmt.Println("All workers done")
}

在上述代碼中，main 函數(shù)創(chuàng)建了一個 WaitGroup 并啟動了三個 goroutine，每個 goroutine 執(zhí)行 worker 函數(shù)。在 worker 函數(shù)中，調(diào)用 wg.Done() 方法表示當(dāng)前工作已經(jīng)完成。main 函數(shù)中的 wg.Wait() 方法阻塞等待，直到所有的 goroutine 都完成工作并調(diào)用了 Done 方法。

小結(jié)

WaitGroup 是 Go 語言中非常有用的并發(fā)原語，用于等待一組 goroutine 完成。通過合理使用 Add、Done 和 Wait 方法，可以避免輪詢等待帶來的性能問題，并提高并發(fā)編排的效率。在使用 WaitGroup 時，需要注意計數(shù)器的增減操作，避免引發(fā) panic 或長時間阻塞。

Channel

基本概念

Go 語言提倡通過通信來實現(xiàn)共享內(nèi)存，而不是通過共享內(nèi)存來通信。Go 的 CSP（Communicating Sequential Processes）并發(fā)模型正是通過 Goroutine 和 Channel 來實現(xiàn)的。Channel 是 Go 語言中用于 goroutine 之間通信的主要工具。

應(yīng)用場景

Channel 有以下幾類應(yīng)用場景。

1. 數(shù)據(jù)交互：通過 Channel 可以模擬并發(fā)的 Buffer 或者 Queue，實現(xiàn)生產(chǎn)者-消費(fèi)者模式。
2. 數(shù)據(jù)傳遞：通過 Channel 將數(shù)據(jù)傳遞給其他的 goroutine 進(jìn)行處理。
3. 信號通知：Channel 可以用于傳遞一些信號，如 close、data ready 等。
4. 并發(fā)編排：通過 Channel 的阻塞等待機(jī)制，可以讓一組 goroutine 按照一定的順序并發(fā)或串行執(zhí)行。
5. 實現(xiàn)鎖功能：通過 Channel 的阻塞等待機(jī)制，可以實現(xiàn)互斥鎖的功能。

基本用法

Channel 有三種類型：

1. 只能接收的 Channel：<-chan T。
2. 只能發(fā)送的 Channel：chan<- T。
3. 既能發(fā)送又能接收的 Channel：chan T。

Channel 通過 make 函數(shù)進(jìn)行初始化，未初始化的 Channel 的零值是 nil，對 nil 的 Channel 進(jìn)行接收或發(fā)送操作會導(dǎo)致阻塞。

Channel 可以分為有緩沖和無緩沖兩種。無緩沖的 Channel 是同步的，有緩沖的 Channel 是異步的。發(fā)送操作只有在 Channel 滿時才會阻塞，接收操作只有在 Channel 為空時才會阻塞。

發(fā)送操作是 chan<-，接收操作是 <-chan。接收數(shù)據(jù)時可以返回兩個值，第一個是元素，第二個是一個布爾值，若為 false 則說明 Channel 已經(jīng)被關(guān)閉并且 Channel 中沒有緩存的數(shù)據(jù)。

Go 的內(nèi)建函數(shù) close、cap、len 都可以操作 Channel 類型，發(fā)送和接收都可以作為 select 語句的 case，Channel 也可以應(yīng)用于 for range 語句。

實現(xiàn)原理

發(fā)送

在發(fā)送數(shù)據(jù)給 Channel 時，發(fā)送語句會轉(zhuǎn)化為 chansend 函數(shù)：

• 如果 Channel 是 nil，調(diào)用者會被阻塞；
• 如果 Channel 已經(jīng)關(guān)閉，發(fā)送操作會導(dǎo)致 panic；
• 如果 recvq 字段有 receiver，則將數(shù)據(jù)交給它，而不需要放入 buffer 中；
• 如果沒有 receiver，則將數(shù)據(jù)放入 buffer 中；
• 如果 buffer 滿了，則發(fā)送者 goroutine 會加入到 sendq 中阻塞休眠，直到被喚醒。

接收

在接收數(shù)據(jù)時，接收語句會轉(zhuǎn)化為 chanrecv 函數(shù)：

• 如果 Channel 是 nil，調(diào)用者會被阻塞；
• 如果 Channel 已經(jīng)被關(guān)閉，并且隊列中無緩存元素，則返回 false 和一個對應(yīng)元素的零值；
• 如果 sendq 中有 sender 并且 buffer 中有數(shù)據(jù)，則優(yōu)先從 buffer 中取出，否則從 sendq 中彈出一個 sender，把它的數(shù)據(jù)復(fù)制給 receiver；
• 如果沒有 sender，則從 buffer 中正常取一個元素；如果沒有元素，則 receiver 會加入到 recvq 中阻塞等待，直到接收到數(shù)據(jù)或者 Channel 被關(guān)閉。

關(guān)閉

• 如果 Channel 是 nil，關(guān)閉 nil 的 Channel 會導(dǎo)致 panic。
• 如果關(guān)閉已經(jīng)關(guān)閉的 Channel 也會導(dǎo)致 panic。
• 否則將 recvq 和 sendq 全部清除并喚醒。

示例代碼

以下是一個使用 Channel 的示例代碼：

package main

import (
        "fmt"
        "time"
)

// 生產(chǎn)者：生成數(shù)據(jù)并發(fā)送到 channel
func producer(ch chan<- int, count int) {
        for i := 0; i < count; i++ {
                ch <- i
                fmt.Println("Produced:", i)
                time.Sleep(time.Millisecond * 500)
        }
        close(ch) // 關(guān)閉 channel，表示生產(chǎn)結(jié)束
}

// 消費(fèi)者：從 channel 接收數(shù)據(jù)并處理
func consumer(ch <-chan int) {
        for data := range ch {
                fmt.Println("Consumed:", data)
                time.Sleep(time.Millisecond * 1000)
        }
}

func main() {
        ch := make(chan int, 5) // 創(chuàng)建一個帶緩沖的 channel
        go producer(ch, 10)     // 啟動生產(chǎn)者
        consumer(ch)            // 啟動消費(fèi)者
}

在上述代碼中，main 函數(shù)創(chuàng)建了一個帶緩沖的 Channel，并啟動了一個生產(chǎn)者 goroutine 和一個消費(fèi)者 goroutine。生產(chǎn)者不斷生成數(shù)據(jù)并發(fā)送到 Channel 中，消費(fèi)者從 Channel 中接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理。生產(chǎn)者完成后關(guān)閉 Channel，消費(fèi)者則在接收到所有數(shù)據(jù)后結(jié)束。