面试题：Go并发编程中针对互斥锁的饥饿问题如何进行优化

互斥锁饥饿问题产生的原因

高竞争场景：在高并发环境下，大量goroutine同时竞争互斥锁，导致获取锁的等待队列不断增长。
公平性问题：Go的互斥锁默认是非公平的。当一个锁被释放时，新唤醒的goroutine和刚刚被阻塞的goroutine竞争，新唤醒的goroutine有更高的机会获得锁，这就可能导致长时间等待在队列中的goroutine一直得不到锁，从而产生饥饿。

优化策略

使用公平锁
- 原理：公平锁保证等待时间最长的goroutine优先获取锁，避免新唤醒的goroutine总是优先获得锁的情况，从而解决饥饿问题。
- 具体实现方式：Go标准库的sync.Mutex默认是非公平的，但可以通过在获取锁和释放锁时添加逻辑来实现公平锁。例如：

package main

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

type FairMutex struct {
    mu       sync.Mutex
    waiters  int
    waiting  chan struct{}
    released bool
}

func NewFairMutex() *FairMutex {
    return &FairMutex{
        waiting: make(chan struct{}, 1),
    }
}

func (fm *FairMutex) Lock(ctx context.Context) {
    fm.mu.Lock()
    if fm.waiters == 0 {
        fm.waiting <- struct{}{}
    }
    fm.waiters++
    fm.mu.Unlock()

    select {
    case <-ctx.Done():
        fm.mu.Lock()
        fm.waiters--
        if fm.waiters == 0 {
            <-fm.waiting
        }
        fm.mu.Unlock()
        return
    case <-fm.waiting:
        fm.mu.Lock()
        fm.waiters--
        if fm.waiters == 0 {
            fm.released = true
        }
        fm.mu.Unlock()
    }
}

func (fm *FairMutex) Unlock() {
    fm.mu.Lock()
    if fm.waiters > 0 {
        if!fm.released {
            fm.released = true
            fm.waiting <- struct{}{}
        }
    } else {
        fm.released = false
        <-fm.waiting
    }
    fm.mu.Unlock()
}

减少锁的持有时间
- 原理：减少锁的持有时间，可以降低其他goroutine等待的时间，从而减少饥饿发生的概率。
- 具体实现方式：将需要锁保护的代码尽量精简，只在真正需要保护共享资源的代码段加锁。例如：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var mu sync.Mutex
var data int

func worker(wg *sync.WaitGroup) {
    // 只在访问共享资源时加锁
    mu.Lock()
    localData := data
    mu.Unlock()

    // 长时间运行的计算，不影响锁的释放
    result := localData * localData
    fmt.Println("Result:", result)
    wg.Done()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go worker(&wg)
    }
    wg.Wait()
}

使用读写锁（适用于读多写少场景）
- 原理：读写锁（sync.RWMutex）允许多个读操作同时进行，只有写操作需要独占锁。在高并发读多写少的场景下，使用读写锁可以减少读操作等待锁的时间，降低饥饿风险。
- 具体实现方式：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var rwmu sync.RWMutex
var sharedData int

func reader(wg *sync.WaitGroup) {
    rwmu.RLock()
    fmt.Println("Reader read data:", sharedData)
    rwmu.RUnlock()
    wg.Done()
}

func writer(wg *sync.WaitGroup) {
    rwmu.Lock()
    sharedData++
    fmt.Println("Writer updated data:", sharedData)
    rwmu.Unlock()
    wg.Done()
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go reader(&wg)
    }
    for i := 0; i < 2; i++ {
        wg.Add(1)
        go writer(&wg)
    }
    wg.Wait()
}

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知识考点

面试题答案

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