Golang基础-mutex的正常模式和饥饿模式2

在并发编程中，Mutex（互斥锁）用于保护共享资源的访问，确保同一时刻只有一个 goroutine 可以访问共享资源。Mutex 在并发编程中有两种常见的使用模式：正常模式（Normal Mode）和 饥饿模式（Starvation Mode）。

正常模式（Normal Mode）

正常模式是最常见的并发锁定行为，即当一个 goroutine 获取到锁时，其他 goroutine 必须等待，直到当前持有锁的 goroutine 释放锁，才能继续执行。

工作原理：

1. 初始状态：Mutex 是未锁定的（Unlocked），任何 goroutine 都可以成功调用 Lock() 获取锁。

2. 锁定状态：当一个 goroutine 获取到锁（调用 Lock()），它就进入了临界区，其他 goroutine 尝试获取锁时会被阻塞，直到锁被释放。

3. 解锁状态：当持有锁的 goroutine 执行完临界区代码并调用 Unlock() 时，锁被释放。此时，等待的 goroutine 中一个会被唤醒，获取锁并进入临界区。

4. 无优先级：锁的获取顺序由操作系统的调度器决定，通常是按照 goroutine 启动的顺序来调度。

影响和特点：

• 公平性：正常模式下，Mutex 的调度是公平的，不存在一个 goroutine 总是能占有锁，其他 goroutine 需要等待。

• 效率：通常情况下，正常模式是并发控制的标准模式，不会造成阻塞时间过长。

正常模式的例子：

package main
​
import (
    "fmt"
    "sync"
)
​
var mu sync.Mutex
​
func criticalSection(id int) {
    mu.Lock()   // 获取锁
    defer mu.Unlock() // 解锁
    fmt.Printf("Goroutine %d in critical section\n", id)
}
​
func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 1; i <= 3; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(id int) {
            defer wg.Done()
            criticalSection(id)
        }(i)
    }
    wg.Wait()
}

结果：

• 只要一个 goroutine 获取了锁，其他 goroutine 会被阻塞，直到锁被释放，通常不会出现饥饿的情况。

• goroutine 执行的顺序可能是 1 -> 2 -> 3，或者其他顺序。

---

饥饿模式（Starvation Mode）

饥饿模式是指某些 goroutine 因为其他 goroutine 一直获取锁而被无限期地阻塞。这种情况通常发生在锁的获取没有公平性时，导致某些 goroutine 始终无法获得锁，进而无法执行。

触发时机：

饥饿模式通常在以下情况下发生：

1. 无限循环的锁竞争：如果某些 goroutine 获取锁的时间远长于其他 goroutine 的等待时间，后者就有可能长时间甚至永久地被饿死。

2. 不公平调度：如果 goroutine 在获取锁时没有公平的调度机制，某些优先级较高的 goroutine 会一直占用锁，其他 goroutine 就无法获得锁。

3. 资源访问不均：如果资源访问的模式不均，可能会出现某些 goroutine 无法获得访问资源的机会，形成饥饿状态。

饥饿模式的影响：

• 不公平性：某些 goroutine 可能永远无法获得锁，导致长时间无法执行，造成“饥饿”。

• 系统效率低：当某些 goroutine 被长期阻塞时，整个系统的效率会受到影响，某些任务始终得不到执行。

饥饿模式的例子：

package main
​
import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)
​
var mu sync.Mutex
​
func criticalSection(id int) {
    mu.Lock()   // 获取锁
    defer mu.Unlock() // 解锁
    fmt.Printf("Goroutine %d in critical section\n", id)
    time.Sleep(1 * time.Second) // 模拟工作
}
​
func main() {
    var wg sync.WaitGroup
​
    // 启动多个 goroutine
    for i := 1; i <= 5; i++ {
        wg.Add(1)
        go func(id int) {
            defer wg.Done()
            criticalSection(id)
        }(i)
    }
​
    wg.Wait()
}

可能的结果：

• 假设程序中有多个 goroutine 试图获取锁，但是其中某些 goroutine 执行的时间比其他 goroutine 长，导致它们在 Unlock 后反复获取锁，而其他 goroutine 一直无法获得锁。

• 这种情况下，长时间运行的 goroutine 会导致其他 goroutine 被“饿死”。

---

避免饥饿模式的策略

为了避免饥饿模式，我们可以考虑以下几种策略：

1. 公平锁（Fair Lock）：

   • 可以通过引入公平锁机制来避免饥饿。在公平锁中，锁的分配是按请求的顺序进行的，确保每个请求锁的 goroutine 都有机会获取锁。

   • Go 标准库的 sync.Mutex 并没有内建的公平性，因此开发者需要手动实现公平锁，或者使用 sync/atomic 和额外的数据结构来确保公平性。

2. 资源分配优先级：

   • 在设计系统时，合理安排 goroutine 的优先级，避免某些 goroutine 因为优先级低而长期被阻塞。

   • 可以使用 context.Context 或者通过调度优先级控制，确保每个任务能够得到公平的资源访问机会。

3. 重试机制：

   • 对于一些可能陷入饥饿状态的 goroutine，可以使用重试机制，让它们在尝试一定次数后再次进行锁的请求。

4. 适当的锁粒度：

   • 降低锁的粒度，减少锁的持有时间，从而减少并发竞争的强度。这种方式有时可以有效地避免因锁过长时间持有而导致的饥饿问题。

---

总结

• 正常模式：在正常的锁定模式下，Mutex 的行为是公平的，Mutex 释放后，等待的 goroutine 会按顺序依次获取锁。此模式下不会出现任何饥饿问题。

• 饥饿模式：饥饿模式发生在调度不公平时，某些 goroutine 被无限期地阻塞，无法获得锁，导致无法执行，最终造成性能问题。

• 如何避免饥饿模式：通过引入公平锁、合理设置优先级、使用重试机制、降低锁粒度等方式，可以避免饥饿模式的发生。

在实际编程中，通常使用 Mutex 来保证同步，然而对于一些复杂的并发场景，开发者需要特别注意如何平衡锁的公平性和效率，避免发生饥饿问题。