读写锁和互斥锁的性能比较

Go 语言/golang 高性能编程，Go 语言进阶教程，Go 语言高性能编程(high performance go)。介绍了读写锁(sync.RWMutex)和互斥锁(sync.Mutex)在不同的读写比情况下的性能开销。

1 读写锁和互斥锁的区别

Go 语言标准库 sync 提供了 2 种锁，互斥锁(sync.Mutex)和读写锁(sync.RWMutex)。那这两种锁的区别是是什么呢？

1.1 互斥锁(sync.Mutex)

互斥即不可同时运行。即使用了互斥锁的两个代码片段互相排斥，只有其中一个代码片段执行完成后，另一个才能执行。

Go 标准库中提供了 sync.Mutex 互斥锁类型及其两个方法：

Lock 加锁
Unlock 释放锁

我们可以通过在代码前调用 Lock 方法，在代码后调用 Unlock 方法来保证一段代码的互斥执行，也可以用 defer 语句来保证互斥锁一定会被解锁。在一个 Go 协程调用 Lock 方法获得锁后，其他请求锁的协程都会阻塞在 Lock 方法，直到锁被释放。

1.2 读写锁(sync.RWMutex)

想象一下这种场景，当你在银行存钱或取钱时，对账户余额的修改是需要加锁的，因为这个时候，可能有人汇款到你的账户，如果对金额的修改不加锁，很可能导致最后的金额发生错误。读取账户余额也需要等待修改操作结束，才能读取到正确的余额。大部分情况下，读取余额的操作会更频繁，如果能保证读取余额的操作能并发执行，程序效率会得到很大地提高。

保证读操作的安全，那只要保证并发读时没有写操作在进行就行。在这种场景下我们需要一种特殊类型的锁，其允许多个只读操作并行执行，但写操作会完全互斥。

这种锁称之为 多读单写锁 (multiple readers, single writer lock)，简称读写锁，读写锁分为读锁和写锁，读锁是允许同时执行的，但写锁是互斥的。一般来说，有如下几种情况：

读锁之间不互斥，没有写锁的情况下，读锁是无阻塞的，多个协程可以同时获得读锁。
写锁之间是互斥的，存在写锁，其他写锁阻塞。
写锁与读锁是互斥的，如果存在读锁，写锁阻塞，如果存在写锁，读锁阻塞。

Go 标准库中提供了 sync.RWMutex 互斥锁类型及其四个方法：

Lock 加写锁
Unlock 释放写锁
RLock 加读锁
RUnlock 释放读锁

读写锁的存在是为了解决读多写少时的性能问题，读场景较多时，读写锁可有效地减少锁阻塞的时间。

2 读写锁和互斥锁性能比较

接下来，我们测试三种情景下，互斥锁和读写锁的性能差异。

读多写少(读占 90%)
读少写多(读占 10%)
读写一致(各占 50%)

2.1 测试用例

接下来我们实现 2 个结构体 Lock 和 RWLock，并且都继承 RW 接口。RW 接口中定义了 2 个操作，读(Read)和写(Write)，为了降低其他指令对测试的影响，假定每个读写操作耗时 1 微秒(百万分之一秒)。

Lock

type RW interface {
	Write()
	Read()
}

const cost = time.Microsecond

type Lock struct {
	count int
	mu    sync.Mutex
}

func (l *Lock) Write() {
	l.mu.Lock()
	l.count++
	time.Sleep(cost)
	l.mu.Unlock()
}

func (l *Lock) Read() {
	l.mu.Lock()
	time.Sleep(cost)
	_ = l.count
	l.mu.Unlock()
}

RWLock

type RWLock struct {
	count int
	mu    sync.RWMutex
}

func (l *RWLock) Write() {
	l.mu.Lock()
	l.count++
	time.Sleep(cost)
	l.mu.Unlock()
}

func (l *RWLock) Read() {
	l.mu.RLock()
	_ = l.count
	time.Sleep(cost)
	l.mu.RUnlock()
}

2.2 基准测试

func benchmark(b *testing.B, rw RW, read, write int) {
	for i := 0; i < b.N; i++ {
		var wg sync.WaitGroup
		for k := 0; k < read*100; k++ {
			wg.Add(1)
			go func() {
				rw.Read()
				wg.Done()
			}()
		}
		for k := 0; k < write*100; k++ {
			wg.Add(1)
			go func() {
				rw.Write()
				wg.Done()
			}()
		}
		wg.Wait()
	}
}


func BenchmarkReadMore(b *testing.B)    { benchmark(b, &Lock{}, 9, 1) }
func BenchmarkReadMoreRW(b *testing.B)  { benchmark(b, &RWLock{}, 9, 1) }
func BenchmarkWriteMore(b *testing.B)   { benchmark(b, &Lock{}, 1, 9) }
func BenchmarkWriteMoreRW(b *testing.B) { benchmark(b, &RWLock{}, 1, 9) }
func BenchmarkEqual(b *testing.B)       { benchmark(b, &Lock{}, 5, 5) }
func BenchmarkEqualRW(b *testing.B)     { benchmark(b, &RWLock{}, 5, 5) }

三种场景，分别使用 Lock 和 RWLock 测试，共 6 个用例。
每次测试读写操作合计 1000 次，例如读多写少场景，读 900 次，写 100 次。
使用 sync.WaitGroup 阻塞直到读写操作全部运行结束。

运行结果如下：

$ go test -bench .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: example/hpg-mutex
BenchmarkReadMore-8                   86          13202572 ns/op
BenchmarkReadMoreRW-8                661           1748724 ns/op
BenchmarkWriteMore-8                  87          13109525 ns/op
BenchmarkWriteMoreRW-8                94          12090900 ns/op
BenchmarkEqual-8                      85          13150321 ns/op
BenchmarkEqualRW-8                   176           6770092 ns/op
PASS
ok      example/hpg-mutex       7.816s

读写比为 9:1 时，读写锁的性能约为互斥锁的 8 倍
读写比为 1:9 时，读写锁性能相当
读写比为 5:5 时，读写锁的性能约为互斥锁的 2 倍

2.3 改变读写操作的时间

如果将单位读写操作的时间降为 0.1 微秒，结果如何呢？

const cost = time.Nanosecond * 100

测试结果如下：

$ go test -bench .
goos: darwin
goarch: amd64
pkg: example/hpg-mutex
BenchmarkReadMore-8                  715           1835021 ns/op
BenchmarkReadMoreRW-8               2198            462859 ns/op
BenchmarkWriteMore-8                 685           1831686 ns/op
BenchmarkWriteMoreRW-8               709           1679783 ns/op
BenchmarkEqual-8                     625           1844344 ns/op
BenchmarkEqualRW-8                  1057           1068423 ns/op
PASS
ok      example/hpg-mutex       7.957s

单位读写操作时间下降后，读写锁的性能优势下降到 3 倍，这也是可以理解的，因加锁而阻塞的时间占比减小，互斥锁带来的损耗自然就减小了。

将单位读写操作时间增加到 10 微秒的结果呢？

const cost = time.Microsecond * 10

测试结果如下：

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: example/hpg-mutex
BenchmarkReadMore-8                   49          24507629 ns/op
BenchmarkReadMoreRW-8                414           2873828 ns/op
BenchmarkWriteMore-8                  49          24452297 ns/op
BenchmarkWriteMoreRW-8                51          22208048 ns/op
BenchmarkEqual-8                      45          24486665 ns/op
BenchmarkEqualRW-8                    93          12414773 ns/op
PASS
ok      example/hpg-mutex       7.394s

单位时间增加后，读写锁和互斥锁的性能比与 1 微秒时基本一致。

附互斥锁如何实现公平

如果多个 goroutine 都在请求同一个锁，sync.Mutex 是如何实现分配公平的呢？sync.mutex 源代码分析这篇文章介绍了 sync.Mutex 的演进历史和当前的实现机制。重要的部分引用如下：

根据Mutex的注释，当前的 Mutex 有如下的性质。这些注释将极大的帮助我们理解Mutex的实现。

互斥锁有两种状态：正常状态和饥饿状态。
在正常状态下，所有等待锁的 goroutine 按照FIFO顺序等待。唤醒的 goroutine 不会直接拥有锁，而是会和新请求锁的 goroutine 竞争锁的拥有。新请求锁的 goroutine 具有优势：它正在 CPU 上执行，而且可能有好几个，所以刚刚唤醒的 goroutine 有很大可能在锁竞争中失败。在这种情况下，这个被唤醒的 goroutine 会加入到等待队列的前面。如果一个等待的 goroutine 超过 1ms 没有获取锁，那么它将会把锁转变为饥饿模式。
在饥饿模式下，锁的所有权将从 unlock 的 goroutine 直接交给交给等待队列中的第一个。新来的 goroutine 将不会尝试去获得锁，即使锁看起来是 unlock 状态, 也不会去尝试自旋操作，而是放在等待队列的尾部。
如果一个等待的 goroutine 获取了锁，并且满足一以下其中的任何一个条件：(1)它是队列中的最后一个；(2)它等待的时候小于1ms。它会将锁的状态转换为正常状态。
正常状态有很好的性能表现，饥饿模式也是非常重要的，因为它能阻止尾部延迟的现象。

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