Mutex使用易错场景盘点

Serena2024-01-04 10:02

在Go中，互斥锁通过sync.Mutex实现，该结构体实现了Locker接口，实现了Lock 和 Unlock方法，在进入需要保护的临界区之前，调用Lock方法获取互斥锁，在退出临界区时，调用Unlock方法释放互斥锁。

sync.Mutex这样的便利的同步原语，在使用上非常的简单便捷，只有Lock和Unlock两个方法，正常使用Mutex，基本不会有什么错误，即使出现错误也是在一些复杂的场景中，比如跨函数调用Mutex ，再或者是在重构或者修补Bug时 误操作Mutex。

但是，简单的使用，由于粗心大意也有可能会产生Bug，因此，需要做到Bug提前知，后面早防范 ，防范于未然。以下列举了使用Mutex常见的几个错误场景

使用Mutex常见的几个错误场景

1、Lock/Unlock方法不是成对出现

当Lock方法与Unlock方法没有成对出现时，意味着不同的goroutine之间使用同一把锁时，很有可能会出现死锁，或者是因为某一·goroutine调用Unlock了一个未加锁的Mutex从而导致panic。

缺少Unlock的场景有哪些呢？常见的场景有以下这几种：

  • 代码设计上，出现过多的if-else分支，有可能在某个分支写漏了Unlock；
  • 在项目重构时，可能一个不小心，将Unlock逻辑给删除了；
  • 在编写代码时，将Unlock误写成了Lock；

上述这几种情况，锁在被获取后，就不会再被释放了，这也意味着其他的goroutine永远都没有机会获得到这一把锁了。

缺少Unlock的场景可以举一个简单的例子：

go 复制代码 
func mutexUse() {
    var mu sync.Mutex
    defer mu.Unlock()
    fmt.Println("mutex use")
}

上述缺少Unlock的场景，通常都是由于粗心大意，误删除了调用Lock方法的逻辑。比如说之前程序使用Mutex一直是正常的，但由于某些原因，由其他人进行代码重构时，出于对代码的不熟悉、粗心大意等原因导致Lock调用给删除了，从而程序出现了问题。

2、拷贝已使用的Mutex

拷贝已使用的Mutex，同样也会带来一些意想不到的错误，为什么拷贝已使用的Mutex，会产生错误呢？ 原因在于Mutex是一个有状态的对象，它的state字段记录这个锁的状态。

go 复制代码 
type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

如果说复制了一个已经加锁了的Mutex并且将其赋值给一个新变量，由于值拷贝的缘故，这个新初始化的Mutex变量已经是已加锁的状态了，这显然会出现一些问题，一般情况下使用一个新的Mutex时，期望的是一个零值的Mutex。在并发环境下，很难确定赋值的Mutex处于什么状态，因为一个Mutex实例处于多个goroutine并发访问下，状态随时都会在变化。

我们都知道拷贝已使用的Mutex很有可能会出现严重的问题，也会格外去注意，但实际使用的时候，很有可能就会踩入这个陷阱，例如：

go 复制代码 
type Counter struct {
    sync.Mutex
    Count int
}

// Counter参数通过值传递传入，进行了拷贝
func incr(counter Counter) {
    counter.Lock()
    defer counter.Unlock()
    fmt.Println("incr")
}

func main() {
    var counter Counter
    counter.Lock()
    defer counter.Unlock()
    counter.Count++
    incr(counter)
}

上述代码中，当调用incr函数，并将Counter结构体传入函数中，由于值传递的特性，调用者会将Mutex变量counter拷贝一份作为函数的参数，但是这个锁在被拷贝之前已经被使用，这导致赋值后的Counter 是一个带状态 Counter，因此上述代码执行后会造成死锁，所有goroutine都处于sleep。

不过，现在的编译器能够识别到该代码，提示"通过值传递传递一个锁"来提示开发者。同样，在Go运行时，有死锁的检查机制（checkdead() 方法），它能够发现死锁的goroutine。程序运行的时候，死锁检查机制能够发现这种死锁情况并输出错误信息，如下图中错误信息以及错误堆栈：

如果说你不想再运行时才发现因为复制 Mutex 导致的死锁问题，可以通过使用 vet 工具，把检查写在 Makefile 文件中，在持续集成的时候运行程序，可以及时发现问题并及时修复。

上述终端提示出在incr的调用发生了lock value 复制的情况，可以根据打印出的代码行数定位到出现问题的地方并及时修复。

3、重入

熟悉Java的小伙伴都知道，Java中的ReentrantLock就是可重入锁。

可重入锁与互斥锁类似，但增加了一些扩展功能。

当一个线程准备获取到锁时，如果没有其他线程持有这把锁，则当前线程能成功获取到这把锁。在该线程未释放锁的期间，如果其它线程再请求这个锁，就会处于阻塞等待的状态。但是如果拥有这把锁的线程，再次请求这把锁时，反而不会阻塞，而是返回成功，即可重入锁。

但在Go中，Mutex在设计上并不是可重入的锁。

Mutex在设计上，并没有存储当前获取这把锁的goroutine是哪一个，因此没有办法计算重入，因为根本没有这个条件，一旦重入使用Mutex，则会产生panic。举个例子：

go 复制代码 
func lockUser1(l sync.Locker) {
    fmt.Println("lock user1")
    l.Lock()
    lockUser2(l)
    l.Unlock()
}

func lockUser2(l sync.Locker) {
    l.Lock()
    fmt.Println("lock user2")
    l.Unlock()
}

func main() {
    lock := &sync.Mutex{}
    lockUser1(lock)
}

上述代码的执行结果为所有goroutine进入sleep，造成死锁。原因在于在调用lockUser2方法时，重入获取锁，Mutex在设计上并不是可重入的锁，所以获取锁阻塞，从而导致死锁。

虽然Mutex在设计上并不是可重入的锁，但是可以通过一些方法自己封装实现一个可重入锁，实现可重入锁的关键在于能够让锁记录下当前获取锁的goroutine是哪一个。

方案一 ：通过 hacker 的方式获取到 goroutine id，记录下获取锁的 goroutine id，它可以实现 Locker 接口。

需要注意，不同Go版本的goroutine的结构可能不同，所以需要根据 Go 的不同版本进行调整来获取到goroutine id，可以通过github上的一些第三方库来获取goroutine id。常用的库：petermattis/goid

获取到 goroutine id后，我们可以自己设计实现一个可重入锁：

go 复制代码 
package RecursiveMutex

/**
可重入锁，记录goroutine ID，避免死锁
*/

import (
    "fmt"
    "github.com/petermattis/goid"
    "sync"
    "sync/atomic"
)

type RecursiveMutex struct {
    sync.Mutex
    owner     int64 // 当前持有锁的goroutine ID
    recursion int32 // 当前goroutine的重入次数
}

func (m *RecursiveMutex) Lock() {
    gid := goid.Get() // 获取当前goroutine的ID
    // 如果当前持有锁的goroutine ID与当前goroutine的ID相同，则递归加锁，说明是重入
    if atomic.LoadInt64(&m.owner) == gid {
       m.recursion++
       return
    }
    m.Mutex.Lock()
    // 获得锁的goroutine第一次调用，记录下它的goroutineID
    atomic.StoreInt64(&m.owner, gid)
    m.recursion = 1
}

func (m *RecursiveMutex) Unlock() {
    gid := goid.Get()
    // 非持有锁的goroutine尝试释放锁，错误的使用
    if atomic.LoadInt64(&m.owner) != gid {
       panic(fmt.Sprintf("wrong the owner(%d): %d!", m.owner, gid))
    }
    // 调用次数减一
    m.recursion--
    if m.recursion != 0 { // 如果这个goroutine还没有完全释放，则直接返回
       return
    }
    // 当前goroutine最后一次调用，需要释放锁
    atomic.StoreInt64(&m.owner, -1)
    m.Mutex.Unlock()
}

上述代码中:

  • owner字段记录当前锁的拥有者 goroutine 的 id；
  • recursion 是辅助字段，用于记录重入的次数。

尽管锁的拥有者可以多次调用Lock，但是也必须调用相同次数的Unlock，这样才能把锁释放掉，确保Lock与Unlock成对出现。

方案二 ：调用 Lock/Unlock 方法时，由 goroutine 提供一个 token，用来标识goroutine本身，而不是通过 hacker的方式获取到 goroutine id，但这样一来就不满足Locker接口了。

调用者通过自己提供token，在获取锁时传入token标记是当前自己这个goroutine获取到该锁。释放锁时，同样也传入该token来告知是哪个goroutine进行锁的释放。通过传入的token替换方案一中 goroutine id，其它逻辑和方案一一致。

go 复制代码 
package RecursiveMutex
/**
可重入锁，记录传入的token标识当前goroutine，避免死锁
*/

import (
    "fmt"
    "sync"
    "sync/atomic"
)

// TokenRecursiveMutex 可重入锁，记录传入的token标识当前goroutine，避免死锁
type TokenRecursiveMutex struct {
    sync.Mutex
    token     int64
    recursion int32
}

// Lock 请求锁，需要传入token标识当前goroutine
func (m *TokenRecursiveMutex) Lock(token int64) {
    if atomic.LoadInt64(&m.token) == token { // 如果传入的token和持有锁的token一致，说明是递归调用，重入
       m.recursion++
       return
    }
    m.Mutex.Lock() // 传入的token不一致，说明不是递归调用
    // 获取到锁后记录这个token
    atomic.StoreInt64(&m.token, token)
    m.recursion = 1
}

// Unlock 释放锁
func (m *TokenRecursiveMutex) Unlock(token int64) {
    if atomic.LoadInt64(&m.token) != token { // 当前传入的token和持有锁的token不一致，说明不是加锁的goroutine进行解锁，返回panic
       panic(fmt.Sprintf("wrong the owner(%d): %d!", m.token, token))
    }
    m.recursion--         // 当前持有这个锁的token释放锁
    if m.recursion != 0 { // 还没有回退到最初的递归调用，还存在重入
       return
    }
    atomic.StoreInt64(&m.token, 0) // 没有递归调用了，释放锁
    m.Mutex.Unlock()
}

4、死锁

说到死锁，已经是老生常谈的内容了，那么什么是死锁呢？

当两个或者两个以上的进程（或者线程、goroutine）在执行的过程中，因争抢共享资源而处于一种互相等待的状态，如果没有外部干涉的情况下，它们都处于无法继续推进的状态，此时，系统处于死锁状态或者产生了死锁。

通常来说，产生死锁的必要条件有四个，只要破坏者四个条件中的一个或者几个，就可以解除死锁。

  • 互斥：共享资源具有排他性，只有一个线程能够独享资源，在资源被获取后，其他线程想要获取资源必须处于等待状态，直到资源被释放。
  • 持有和等待 ：当goroutine持有一个资源，并且还在请求其他goroutine持有的资源时，双方互相等待对方的资源释放，从而导致死锁。
  • 不可剥 夺：goroutine持有的资源只能由它自己释放，其他goroutine无法剥夺。
  • 环路等待：存在一组等待的进程，P={P1，P2，...，PN}，P1 等待 P2 持有的资源，P2 等待 P3 持有的资源，依此类推，最后是 PN 等待 P1 持有的资源，多个进程之间形成了一个环路等待的死结。

举个例子：

go 复制代码 
package main

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

func main() {
    var oneLock sync.Mutex
    var twoLock sync.Mutex

    var wg sync.WaitGroup
    wg.Add(2)

    go func() {
       defer wg.Done()

       oneLock.Lock()
       defer oneLock.Unlock()

       time.Sleep(5 * time.Second)

       twoLock.Lock()
       twoLock.Unlock()
    }()

    go func() {
       defer wg.Done()

       twoLock.Lock()
       defer twoLock.Unlock()

       time.Sleep(5 * time.Second)

       oneLock.Lock()
       oneLock.Unlock()
    }()

    wg.Wait()
    fmt.Println("success")
}

执行上述代码，可以发现产生了死锁，原因在于main中启动的两个goroutine互相等待对方持有的资源从而导致了死锁。Go运行时，有死锁探测的功能，能够检查出是否出现了死锁的情况。

总结

虽然Mutex互斥锁在使用上非常的便捷，但是我们在使用时，仍然需要留个心眼，避免因为不必要的错误而产生不可预估的后果。

使用Mutex常见的几个错误场景:

  • Lock/Unlock方法不是成对出现
  • 拷贝已使用的Mutex
  • Mutex的重入加锁
  • 死锁

需要强调的是，在上述的易错场景中，手误和重入导致的死锁，是最常见的使用 Mutex 的 Bug。

参考文章

time.geekbang.org/column/arti...

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