在《Go精妙的互斥锁设计》一文中，咱们具体地解说了互斥锁的实现原理。互斥锁为了防止竞争条件，它只容许一个线程进入代码临界区，而因为锁竞争的存在，程序的执行效率会被升高。同时咱们晓得，只有多线程在共享资源中有写操作，才会引发竞态问题，只有资源没有发生变化，多线程读取雷同的资源就是平安的。因而，咱们引申出更细粒度的锁：读写锁。

什么是读写锁

读写锁是一种多读单写锁，分读和写两种锁，多个线程能够同时加读锁，然而写锁和写锁、写锁与读锁之间是互斥的。

读写锁对临界区的解决如上图所示。其中，t1时刻，因为线程1已加写锁，线程2被互斥期待写锁的开释；t2时刻，线程2已加读锁，线程3能够对其持续加读锁并进入临界区；t3时刻，线程3加了读锁，线程4被互斥期待读锁的开释。

饥饿问题

依据读写锁的性质，读者应该能猜到读写锁实用于读写明显的场景。依据优先级，能够分为读优先锁和写优先锁。读优先锁能容许最大并发，然而写线程可能被饿死；同理，写优先锁是优先服务写线程，这样读线程就可能被饿死。

相对而言，写锁饥饿的问题更为突出。因为读锁是共享的，如果以后临界区曾经加了读锁，后续的线程持续加读锁是没问题的，然而如果始终有读锁的线程加锁，那尝试加写锁的线程则会始终获取不到锁，这样加写锁的线程始终被阻塞，导致了写锁饥饿。

同时，因为多读锁共享，可能会有读者问：为什么不间接去掉读锁，在写操作线程进来时只加写锁就好了呢，这样岂不是很好实现了。情理很简略，如果以后临界区加了写锁，在写锁解开之前又有新的写操作线程进来，等到写锁开释，新的写操作线程又上了写锁。这种状况如果连续不断，那整个程序就只能执行写操作线程，读操作线程就活活被饿死了。

所以，为了防止饥饿问题，通用的做法是实现偏心读写锁，它将申请锁的线程用队列进行排队，保障了先入先出（FIFO）的准则进行加锁，这样就能无效地防止线程饥饿问题。

那Go语言的读写锁，对于饥饿问题，它是如何解决的呢？

Go读写锁设计

本文代码版本为Go 1.15.2。如下所示，sync.RWMutex构造体蕴含5个字段。

type RWMutex struct {    w           Mutex      writerSem   uint32     readerSem   uint32     readerCount int32      readerWait  int32  }
  • w 互斥锁sync.Mutex，用于互斥写操作。
  • writerSem 写操作goroutine阻塞期待信号量。最初一个阻塞写操作的读操作goroutine开释读锁时，会告诉阻塞的写锁goroutine。
  • readerSem 读操作goroutine阻塞期待信号量。写锁goroutine开释写锁后，会告诉阻塞的读锁goroutine。
  • readerCount 读操作goroutine数量。
  • readerWait 阻塞写操作goroutine的读操作goroutine数量。

对于互斥锁的几个字段，当初可能不好了解，先不必焦急，看完咱们对sync.RWMutex对外提供的四个办法接口解析，就天然明确了。

  • RLock()：加读锁
  • RUnlock()：解读锁
  • Lock()：加写锁
  • Unlock()：解写锁

上面，咱们来顺次剖析。

加读锁

这里，须要阐明一下的是，为了更好了解代码逻辑，本文所有的代码块均去除了竞态检测的逻辑局部，即if race.Enabled {}办法块。

func (rw *RWMutex) RLock() {    if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {        runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false, 0)    }}

atomic.AddInt32是一个原子性操作，其底层通过硬件指令LOCK实现封装（详情可见文章《同步原语的基石》）。rw.readerCount代表读操作goroutine数量，如果将其+1，还小于0，则通过用于同步库的sleep原语runtime_SemacquireMutex阻塞期待写锁开释。

简略地说，如果以后有写操作goroutine曾经进来了，则新来的读操作goroutine会被排队阻塞期待。然而，读者必定会感觉判断条件很奇怪，为什么rw.readerCount会是负值？不要急，下文会有答案。

当然，如果此时没有写锁，则仅仅将rw.readerCount数目加1，而后间接退出，代表加读锁胜利。

解读锁

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

将读操作goroutine数目-1，如果其数目r大于等于0，则间接退出，代表解读锁胜利。否则，带着以后处于负值的数目r进入以下rUnlockSlow逻辑

func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {    if r+1 == 0 || r+1 == -rwmutexMaxReaders {        race.Enable()        throw("sync: RUnlock of unlocked RWMutex")    }    if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {        runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)    }}

如果r+1==0，则证实在解读锁时，其实并没有读goroutine加读锁；rwmutexMaxReaders = 1 << 30，这代表读写锁所能接管的最大读操作goroutine数量。至于这里为什么r+1 == -rwmutexMaxReaders也代表并没有goroutine加读锁，同样留在下文解答。在没有加读锁的锁上解读锁，会抛出异样并panic。

rw.readerWait代表写操作被阻塞时，读操作goroutine数量。如果该值为1，代表以后是最初一个阻塞写操作的goroutine，则通过用于同步库的wakeup原语runtime_Semrelease唤醒阻塞的写操作goroutine。

读者此时只看了加解读锁的代码，了解上会有艰难，不要急，咱们接着看加解写锁的逻辑。

加写锁

func (rw *RWMutex) Lock() {    rw.w.Lock()    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders    if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {        runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false, 0)    }}

在加写锁时，首先会通过互斥锁加锁，这保障只会有一个写锁加锁胜利。当互斥锁加锁胜利之后，咱们就能看到写操作是如何阻止读操作，读操作是如何感知到写操作的。

咱们曾经晓得rw.readerCount是代表读操作goroutine数量，如果在不存在写操作的状况下，每次加读锁，该值就会+1，每次解读锁该值就会-1，那么咱们能够正当地认为rw.readerCount的取值范畴是[0,rwmutexMaxReaders],即最大反对2^30个并发读，最小是0个。

然而，在以后写操作goroutine加互斥锁胜利后，会通过原子操作atomic.AddInt32将readerCount减去2^30，此时readerCount会变成负值，那么如果之后再有读操作goroutine加读锁时，能通过该负值晓得以后曾经有写锁了，从而阻塞期待。这里也解释了加读锁和解读锁两大节中留下的问题。最初，为了持有实在的读操作goroutine数目，再加回2^30即可。

这里须要分外留神的是：互斥锁加锁胜利并不意味着加写锁胜利。咱们须要晓得读操作是如何阻止写操作，写操作是如何感知到读操作的。

r != 0 即代表以后读操作goroutine不为0，这意味着写操作要期待排在后面的读操作完结后才算是加上写锁。写操作取得互斥锁后，通过atomic.AddInt32把rw.readerCount值拷贝到rw.readerWait中，用于标记排在写操作goroutine后面的读操作goroutine个数。通过用于同步库的sleep原语runtime_SemacquireMutex阻塞期待这些读操作完结。在解读锁小结中咱们晓得，读操作完结时，除了会递加rw.readerCount，同时须要递加rw.readerWait值，当rw.readerWait值变为0时就会唤醒阻塞的写操作goroutine。

解写锁

func (rw *RWMutex) Unlock() {    r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)    if r >= rwmutexMaxReaders {        race.Enable()        throw("sync: Unlock of unlocked RWMutex")    }    for i := 0; i < int(r); i++ {        runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)    }    rw.w.Unlock()}

在解写锁时，将负值的rw.readerCount变更为正值，解除对读锁的互斥，并唤醒r个因为写锁而阻塞的读操作goroutine。最初，通过调用互斥锁的Unlock办法，解除对写锁的互斥。

到这里，咱们能够图解一下Go是如何解决饥饿问题的。

假如G1、G2、G3是正在共享读的goroutine，rw.readerCount值为3。此时写操作G4进来，把rw.readerCount值变为了负值，同时它发现rw.readerCount不为0，因而阻塞期待。然而在G4的期待期间又有新的读操作G5、G6和写操作G7进来。因为此时的rw.readerCount值为负，所以G5和G6是不能加读锁胜利的，会陷入阻塞期待。G7因为G4加了互斥锁也会陷入期待。当排在写操作G4后面的最初一个读操作G3完结，G3会唤醒G4。当G4完结时，它将G5、G6和G7均唤醒。然而G7须要期待G5和G6退出（因为它在试图加写锁时，会发现rw.readerCount不为0，会再次陷入阻塞期待）能力加写锁胜利。以此重复，保障了读写锁的绝对偏心，防止一方挨饿。

总结

读写锁基于互斥锁，提供了更细粒度的管制，它实用于读写明显的场景，精确而言是读操作远多于写操作的状况。在多读少写的场景中，应用读写锁代替互斥锁能无效地进步程序运行效率。

读读共享、读写互斥和写写互斥。在优先级方面，偏袒读锁或者写锁要分几种状况。

  • 锁闲暇，此时是齐全偏心的，谁先进来谁就能够上锁。
  • 如果没有读操作，均是写操作，读写锁会进化成互斥锁，只有在互斥锁处于饥饿模式下才会偏心。
  • 如果没有写操作，均是读操作，读操作均能够进来，读写锁进化成无锁设计（也并不是真正的无锁，因为加解锁均有原子操作atomic.AddInt32对读操作goroutine的统计）。
  • 被加读锁时，写操作进来会被阻塞。在写操作阻塞期间，如果有读操作试图进来，它们也会被阻塞。当阻塞写操作的最初一个读操作解读锁时，它只会唤醒被阻塞的写操作，之后进来的读操作须要该写操作实现之后被唤醒。这些被唤醒的读操作会比新的写操作（能够是新来的，也能够是因互斥锁而被阻塞的）先拿到锁，期待这些读操作实现，新的写操作能力拿到写锁。

因为读写锁是基于互斥锁之上的设计，不可避免地多做了一些工作。因而，并不是说应用读写锁的收益肯定会比互斥锁高。在抉择何种锁时，须要综合考量读写操作的比例，临界区代码的耗时。性能比对的内容本文就不再探讨，读者可自行测试。