golang中的锁竞争问题

2022 年 10 月 28 日
筆記
golang, 技术

索引：//www.waterflow.link/articles/1666884810643

当我们打印错误的时候使用锁可能会带来意想不到的结果。

我们看下面的例子：

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

type Courseware struct {
	mutex sync.RWMutex
	Id    int64
	Code   string
	Duration int
}

func (c *Courseware) UpdateDuration(duration int) error {
	c.mutex.Lock() // 1
	defer c.mutex.Unlock()

	if duration < 60 {
		return fmt.Errorf("课件时长必须大于等于60秒： %v", c) // 2
	}

	c.Duration = duration
	return nil
}

// 3
func (c *Courseware) String() string {
	c.mutex.RLock()
	defer c.mutex.RUnlock()
	return fmt.Sprintf("id %d, duration %d", c.Id, c.Duration)
}


func main() {
	c := &Courseware{}
	fmt.Println(c.UpdateDuration(0))
}

上面的代码看起来貌似没有什么问题，但是却会导致死锁：

更新课件时长的时候上锁，避免出现数据竞争
判断如果时长小于60秒的话，就报错。但是注意这里fmt.Errorf打印结构c会调用String()方法
我们看String方法里面，又使用了读锁，避免读取的时候数据被更新

因为对临界资源重复上锁，所以导致了死锁的问题。解决办法也很简单：

把锁放到错误判断之后：

func (c *Courseware) UpdateDuration(duration int) error {

	if duration < 60 {
		return fmt.Errorf("课件时长必须大于等于60秒： %v", c) // 2
	}

  c.mutex.Lock() 
	defer c.mutex.Unlock()

	c.Duration = duration
	return nil
}

不使用String方法，避免重复上锁：

package main

import (
	"fmt"
	"sync"
)

type Courseware struct {
	mutex sync.RWMutex
	Id    int64
	Code   string
	Duration int
}

func (c *Courseware) UpdateDuration(duration int) error {
	c.mutex.Lock() 
	defer c.mutex.Unlock()

	if duration < 60 {
		return fmt.Errorf("课件时长必须大于等于60秒： %d， id: %d", c.Duration, c.Id) // 打印放在一个锁里面也能保证安全
	}

	c.Duration = duration
	return nil
}


func main() {
	c := &Courseware{}
	fmt.Println(c.UpdateDuration(0))
}

go  run  10.go
课件时长必须大于等于60秒： 0， id: 0

我们再看一个切片的例子：

package main

import (
	"fmt"
)


func main() {
	s := make([]int, 1)

	go func() {
		s1 := append(s, 1)
		fmt.Println(s1)
	}()

	go func() {
		s2 := append(s, 1)
		fmt.Println(s2)
	}()
}

我们初始化了一个长度为1，容量为1的切片，然后分别在2个协程里面调用append往切片追加元素。这种情况会导致数据竞争么？

答案是不会。在其中一个协程里面，当我们append元素的时候，因为s的容量为1，所以底层会复制一个新的数组；同样另一个协程也是如此。

go  run -race 10.go
[0 1]
[0 1]

注意：这里的关键就是，两个协程是否会同时访问一个内存空间，这时导致数据竞争的关键。

我们稍微修改下上面的例子：

package main

import (
	"fmt"
)


func main() {
	s := make([]int, 1, 10) // 1

	go func() {
		s1 := append(s, 1)
		fmt.Println(s1)
	}()

	go func() {
		s2 := append(s, 1)
		fmt.Println(s2)
	}()
}

我们给s加了一个足够大的容量

go  run -race 10.go
[0 1]
==================
WARNING: DATA RACE
Write at 0x00c0000c0008 by goroutine 8:
  main.main.func2()
...

可以看到这就产生了数据竞争的问题。因为s的容量足够大，所以两个协程有可能操作同一个底层数组的同一块内存。

解决办法也很简单，重新copy一个s就行了。

下面我们继续看一个map的例子：

package main

import (
	"strconv"
	"sync"
	"time"
)

// 1
type User struct {
	mu       sync.RWMutex
	online map[string]bool
}

// 2
func (u *User) AddOnline(id string) {
	u.mu.Lock()
	u.online[id] = true
	u.mu.Unlock()
}

// 3
func (u *User) AllOnline() int {
	u.mu.RLock()
	online := u.online // 4
	u.mu.RUnlock()

	sum := 0
	for _, o := range online { // 5
		if o {
			sum++
		}
	}
	return sum
}

func main() {
	u := &User{}
	u.online = make(map[string]bool)

	go func() {
		for i := 0; i < 10000; i++ {
			u.AddOnline("userid" + strconv.Itoa(i))
		}
	}()

	go func() {
		for i := 0; i < 10000; i++ {
			u.AllOnline()
		}
	}()

	time.Sleep(time.Second)
}

我们有一个用户的机构，里面有个online字段是一个map，里面保存了在线的用户信息
我们有一个添加在线用户的方法AddOnline，方法里面使用了锁，是因为map是并发不安全的
我们还有一个统计所有在线用户的方法AllOnline
在AllOnline中，我们访问u.online的map，我们加上了读锁。这里的想法是访问当前在线用户的map，并赋值给online，然后释放读锁
遍历赋值的online查出在线用户的数量

可能我们觉得这个是没问题的，但是当我们运行程序的时候会发现这里存在数据竞争：

go  run -race 10.go
==================
WARNING: DATA RACE
Write at 0x00c0000a0060 by goroutine 6:
  runtime.mapassign_faststr()

...

==================
fatal error: concurrent map iteration and map write

这是因为，在map内部，是hmap结构，主要包含元数据（例如，计数器）和引用数据桶的指针。因此，online := u.online 不会复制实际数据，而是复制的指针，实际操作的还是同一片内存。

解决这个问题也不难：

我们可以把锁的范围扩大，像下面这样：

func (u *User) AllOnline() int {
	u.mu.RLock()
	defer u.mu.RUnlock()
	online := u.online

	sum := 0
	for _, o := range online {
		if o {
			sum++
		}
	}
	return sum
}

另一种方法就是复制一个副本出来，像上面我们说的切片一样：

func (u *User) AllOnline() int {
	u.mu.RLock()
	online := make(map[string]bool, len(u.online))
	for s, b := range u.online {
		online[s] = b
	}
	u.mu.RUnlock()

	sum := 0
	for _, o := range online {
		if o {
			sum++
		}
	}
	return sum
}

上面的例子中我们使用了*User定义了2个方法：

func (u *User) AddOnline(id string) {
	u.mu.Lock()
	u.online[id] = true
	u.mu.Unlock()
}

func (u *User) AllOnline() int {
	u.mu.RLock()
	online := make(map[string]bool, len(u.online))
	for s, b := range u.online {
		online[s] = b
	}
	u.mu.RUnlock()

	sum := 0
	for _, o := range online {
		if o {
			sum++
		}
	}
	return sum
}

我现在我们稍微修改下上面的列子：

package main

import (
	"strconv"
	"sync"
	"time"
)

type User struct {
	mu       sync.RWMutex
	online map[string]bool
}

func (u User) AddOnline(id string) {
	u.mu.Lock()
	u.online[id] = true
	u.mu.Unlock()
}

func (u User) AllOnline() int {
	u.mu.RLock()
	online := make(map[string]bool, len(u.online))
	for s, b := range u.online {
		online[s] = b
	}
	u.mu.RUnlock()

	sum := 0
	for _, o := range online {
		if o {
			sum++
		}
	}
	return sum
}

func main() {
	u := User{}
	u.online = make(map[string]bool)

	go func() {
		for i := 0; i < 10000; i++ {
			u.AddOnline("userid" + strconv.Itoa(i))
		}
	}()

	go func() {
		for i := 0; i < 10000; i++ {
			u.AllOnline()
		}
	}()

	time.Sleep(time.Second)
}

现在我们直接使用User结构体定义这两个方法，但是当我们执行程序的时候，报了数据竞争的错误：

go  run -race 10.go
==================
WARNING: DATA RACE
Read at 0x00c00011e060 by goroutine 7:
  main.User.AllOnline()

这个又是什么原因造成的呢？这是因为，当我门使用User作为参数时，直接复制了User的副本，因此sync.RWMutex也会被复制。

因为锁被复制了，所以对于同一个临界资源，处于不同锁的读写操作可以同时访问。

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