面试题：Go的读写锁（RWMutex）底层实现与互斥锁（Mutex）有哪些异同点？

Question

分析Go语言中读写锁（RWMutex）和互斥锁（Mutex）在底层实现上，从数据结构到加锁解锁逻辑的相同点与不同点，并阐述读写锁在高并发读场景下的优势是如何通过底层实现来保证的。

Answer 1

相同点

1. 数据结构基础：两者都基于sync.Mutex相关的底层原语，依赖操作系统的原子操作和信号量机制来实现同步控制。
2. 加锁机制：都使用原子操作来修改锁的状态，以确保在多线程环境下的安全访问。例如，通过atomic包中的函数来修改表示锁状态的变量。
3. 解锁逻辑：解锁时都需要通知等待的 goroutine，通过runtime_Semrelease等函数唤醒等待队列中的 goroutine。

不同点

1. 数据结构：
   • Mutex：数据结构相对简单，一般就是一个表示锁状态的整数变量（如 0 表示未锁定，1 表示锁定）。
   • RWMutex：数据结构更复杂，除了类似Mutex的写锁状态变量外，还需要额外维护读锁相关状态，例如一个表示读锁计数的变量，用于记录当前有多少个读操作持有锁。
2. 加锁逻辑：
   • Mutex：加锁时，直接通过原子操作尝试将锁状态从 0 改为 1。如果已经是 1，则当前 goroutine 进入等待队列。
   • RWMutex：
     • 读锁加锁：读锁加锁时，先检查写锁是否被持有（通过原子读取写锁状态变量），如果写锁未被持有，则原子增加读锁计数。如果写锁已被持有，则当前 goroutine 进入等待队列。
     • 写锁加锁：写锁加锁时，先检查读锁计数是否为 0 以及写锁是否未被持有，只有同时满足这两个条件，才能通过原子操作获取写锁，并将写锁状态置为已锁定。否则，当前 goroutine 进入等待队列。
3. 解锁逻辑：
   • Mutex：解锁时，直接通过原子操作将锁状态从 1 改为 0，并唤醒等待队列中的一个 goroutine。
   • RWMutex：
     • 读锁解锁：读锁解锁时，原子减少读锁计数。如果读锁计数变为 0 且有写锁等待，则唤醒等待队列中的一个写锁 goroutine。
     • 写锁解锁：写锁解锁时，通过原子操作将写锁状态改为未锁定，并唤醒等待队列中的所有 goroutine。

读写锁在高并发读场景下的优势实现

1. 读锁并发访问：读写锁允许多个读操作同时持有读锁，因为读操作不会修改共享资源，所以不会产生数据竞争。在底层实现上，读锁加锁时只需要原子增加读锁计数，而不需要像互斥锁那样独占资源，这使得多个读操作可以并行执行，大大提高了高并发读场景下的性能。
2. 写锁优先级控制：为了避免写操作饥饿，当写锁等待时，新的读锁请求不会被允许，直到写锁被释放。这通过底层检查写锁状态和读锁计数的逻辑来实现，保证了写操作能够在合理时间内获取锁并执行，维护了数据一致性。
3. 读锁解锁唤醒机制：读锁解锁时，如果读锁计数变为 0 且有写锁等待，会唤醒等待队列中的一个写锁 goroutine，进一步确保了写操作的及时执行，同时又充分利用了读操作的并发特性，从而在高并发读场景下提供了较好的性能和数据一致性保证。