面试题：Go RWMutex实现原理深度剖析及自定义改进

Question

请深入分析Go语言中RWMutex的实现原理，包括其内部数据结构和状态机设计。基于对其原理的理解，如果让你对RWMutex进行自定义改进以适应特殊的高并发读写需求（例如读操作极多但写操作一旦发生需快速响应），你会从哪些方面入手并阐述具体的改进思路。

Answer 1

Go语言中RWMutex实现原理

1. 内部数据结构
   • RWMutex结构体定义在src/sync/rwmutex.go中，主要包含两个字段：
     • state：一个uint32类型的变量，用于表示锁的状态。其中低16位表示写锁的计数（正常情况下为0或1，当有写锁等待时可能大于1），高16位表示读锁的计数。
     • sema：一个信号量，用于阻塞和唤醒等待的协程。写锁等待时会通过runtime_Semacquire获取信号量，读锁等待时也类似。
2. 状态机设计
   • 初始状态：state为0，此时没有读锁和写锁被持有。
   • 读锁获取：
     • 当一个协程尝试获取读锁时，它会先检查state的低16位（写锁计数）。如果写锁计数为0（即没有写锁被持有），则将state的高16位（读锁计数）加1，成功获取读锁。
     • 如果写锁计数不为0，说明有写锁被持有或者有写锁在等待，此时读锁获取失败，该协程会被阻塞并加入到等待队列（通过信号量sema）。
   • 写锁获取：
     • 当一个协程尝试获取写锁时，它首先会尝试原子地将state的低16位加1。如果加1成功且此时state的高16位（读锁计数）为0，说明获取写锁成功。
     • 如果加1失败（说明已有写锁被持有），或者加1成功但读锁计数不为0，写锁获取失败，该协程会被阻塞并加入到等待队列（通过信号量sema）。当写锁释放时，会唤醒等待队列中的写锁等待者（如果有）。
   • 读锁释放：将state的高16位（读锁计数）减1。如果此时读锁计数为0且有写锁等待（state低16位大于1），会唤醒一个写锁等待者。
   • 写锁释放：将state的低16位（写锁计数）减1。如果此时有写锁等待（state低16位大于0），会唤醒一个写锁等待者；如果有读锁等待，会唤醒所有读锁等待者。

自定义改进思路

1. 优先写锁调度
   • 思路：在当前实现中，读锁的优先级相对较高，因为只要没有写锁持有，读锁就可以不断获取。对于读多写少且写操作需快速响应的场景，可以引入一个写优先队列。当有写操作请求时，将其加入到写优先队列。读锁获取时，除了检查写锁状态，还需要检查写优先队列是否为空。如果不为空，读锁等待，直到写优先队列处理完。
   • 实现：可以使用一个channel来模拟写优先队列。在RWMutex结构体中新增一个writeQueue chan struct{}字段。在获取读锁时，增加对writeQueue是否为空的检查逻辑。在写锁请求时，向writeQueue发送一个信号。
2. 减少读锁阻塞写锁的时间
   • 思路：可以采用一种机制，在写锁请求到达时，逐渐减少读锁的允许获取数量。例如，设置一个阈值，当写锁等待时间超过一定阈值时，开始限制新的读锁获取。
   • 实现：在RWMutex结构体中新增一个字段记录写锁开始等待的时间，以及一个阈值字段。在获取读锁时，检查写锁等待时间是否超过阈值，如果超过，则根据一定策略（如限制读锁获取数量为当前读锁数量的一半）来限制新的读锁获取。
3. 读写锁分离队列
   • 思路：将读锁等待队列和写锁等待队列分开管理。这样可以更灵活地控制读写锁的唤醒策略。例如，当写锁释放时，可以优先唤醒写锁等待队列中的协程，而不是像原实现那样可能唤醒读锁等待者。
   • 实现：在RWMutex结构体中新增两个信号量字段，分别用于读锁等待队列和写锁等待队列。在获取锁失败时，根据锁的类型加入对应的等待队列。在释放锁时，根据队列情况优先唤醒相应队列中的协程。