面试题：Go语言Mutex和RWMutex底层原理及应用陷阱

Question

深入分析Go语言中Mutex和RWMutex的底层实现原理，包括锁的状态机、调度算法等。并指出在实际使用过程中，可能会遇到哪些因为这两种锁的特性而导致的应用陷阱，如何避免这些陷阱？

Answer 1

Mutex底层实现原理

1. 锁的状态机
   • Go语言的Mutex有两种状态：normal和starving。
   • normal状态下，新的goroutine可以尝试获取锁。如果锁可用，它可以直接获取锁。如果锁不可用，它会进入等待队列。
   • starving状态下，新的goroutine不会尝试获取锁，而是直接加入到等待队列的尾部。当一个goroutine在等待队列中等待超过1ms，锁会进入starving状态。
2. 调度算法
   • 在normal状态下，当一个goroutine释放锁时，等待队列中的第一个goroutine会被唤醒并获取锁。如果此时有新的goroutine同时尝试获取锁，新的goroutine有更高的机会获取锁，这可能导致等待队列中的goroutine饥饿。
   • 在starving状态下，当一个goroutine释放锁时，等待队列中最久的goroutine会获取锁，从而避免饥饿。如果一个被唤醒的goroutine获取锁后，发现没有其他等待的goroutine或者等待时间都小于1ms，锁会回到normal状态。

RWMutex底层实现原理

1. 锁的状态机
   • RWMutex有读锁和写锁。写锁是独占的，读锁可以被多个goroutine同时持有。
   • 它有一个状态变量，通过不同的位来表示写锁是否被持有，以及有多少个读锁被持有。
2. 调度算法
   • 当写锁被持有时，任何读锁和写锁的获取请求都会被阻塞。
   • 当读锁被持有时，写锁的获取请求会被阻塞，直到所有读锁都被释放。
   • 读锁的获取可以并行进行，只要没有写锁被持有。

应用陷阱及避免方法

1. Mutex相关陷阱
   • 饥饿问题：在normal状态下，新的goroutine可能频繁获取锁，导致等待队列中的goroutine饥饿。
     • 避免方法：如果担心饥饿问题，可以尽量减少锁的持有时间，或者在适当的时候手动切换锁到starving状态（虽然Go语言本身会自动处理，但在一些极端情况下可以考虑手动干预）。
   • 死锁问题：如果一个goroutine在持有锁的情况下再次尝试获取同一把锁，会导致死锁。
     • 避免方法：仔细检查代码逻辑，确保不会出现嵌套获取同一把锁的情况。可以使用工具如go vet来检测潜在的死锁。
2. RWMutex相关陷阱
   • 写锁饥饿：如果读操作非常频繁，写操作可能长时间无法获取锁，导致写饥饿。
     • 避免方法：可以限制读操作的并发数量，或者设置一个写操作优先的机制，例如当写操作等待时间超过一定阈值时，优先处理写操作。
   • 数据一致性问题：在读多写少的场景中，如果在读取数据时没有正确加读锁，可能读取到脏数据。
     • 避免方法：在读取共享数据时，一定要正确获取读锁，在写入共享数据时，正确获取写锁。