Go语言并发编程 ------ 临界区
临界区是多线程/并发编程中的核心概念，指程序中访问共享资源（如变量、数据结构、文件等）的代码段，这些资源在同一时间只能被一个线程访问以避免数据竞争和不一致。
本篇文章着重介绍临界区，锁的详细介绍会在下一篇文章中。
基本定义
临界区是指：
- 访问共享资源的代码片段
- 需要同步机制保护的部分
- 同一时间只允许一个执行线程/goroutine进入的区域
关键的特性：
- 共享资源访问：涉及对共享内存、文件、设备等资源的读写操作
- 原子性需求：临界区内的操作应作为一个不可分割的单元执行
- 互斥/排他访问：必须确保同一时间只有一个执行流能进入临界区
- 有限停留：线程应尽快离开临界区，减少阻塞其他线程的时间
在Go中临界区示例
无保护的临界区（危险）
var counter int // 共享变量func increment() {counter++ // 这就是临界区（没有保护）
}使用Mutex保护的临界区
var (counter intmu sync.Mutex
)func safeIncrement() {mu.Lock() // 进入临界区前加锁defer mu.Unlock() // 确保退出时解锁counter++ // 受保护的临界区// 其他操作...
}临界区与锁的关系
| 概念 | 描述 |
|---|---|
| 临界区 | 需要保护的代码段（概念） |
| 锁 | 保护临界区的实现机制（工具） |
| 关系 | 锁用来划定和保护临界区，临界区是需要锁保护的代码范围 |
临界区的设计规范
1.最小化原则：
- 尽量减小临界区的范围
- 只包含必须同步的操作
// 不好：包含非必要操作mu.Lock()data := fetchFromDatabase() // 耗时IO操作sharedMap[key] = datamu.Unlock()// 更好：仅保护共享访问data := fetchFromDatabase()mu.Lock()sharedMap[key] = datamu.Unlock()2.简短执行
- 避免在临界区内执行耗时操作如：IO、复杂计算
- 典型临界区应能在微秒级完成
3.单一职责
- 一个临界去最好只保护一个共享资源
- 避免多个不相关资源共同用同一个锁
4.无嵌套原则
- 避免在临界区内调用可能获取其他锁的方法
- 防止死锁发生
临界区保护机制对比
1. 互斥锁（Mutex）
var mu sync.Mutexfunc accessShared() {mu.Lock()// 临界区...mu.Unlock()
}2. 读写锁（RWMutex）
var rwMu sync.RWMutexfunc readShared() {rwMu.RLock()// 只读临界区（允许多个读者）rwMu.RUnlock()
}func writeShared() {rwMu.Lock()// 写临界区（独占）rwMu.Unlock()
}3. 通道（Channel）
var ch = make(chan struct{}, 1) // 容量1的通道模拟锁func accessShared() {ch <- struct{}{} // 获取"锁"// 临界区...<-ch // 释放"锁"
}常会遇到的问题
1. 数据竞争（Data Race）
// 两个goroutine并发执行此函数会导致数据竞争
func race() {counter++ // 未保护的临界区
}检测：使用go run -race或go test -race
2. 死锁（Deadlock）
func deadlock() {mu.Lock()mu.Lock() // 重复加锁导致死锁mu.Unlock()mu.Unlock()
}3. 活锁（Livelock）
// 两个goroutine不断重试但无法进展
func livelock() {for {if mu.TryLock() { // Go 1.18+// 临界区...mu.Unlock()break}time.Sleep(time.Millisecond) // 可能导致活锁}
}项目案例改编
银行账户转账
type Account struct {mu sync.Mutexbalance int
}func (a *Account) Transfer(to *Account, amount int) error {// 按固定顺序加锁防止死锁first, second := a, toif a < to { // 通过地址比较确定顺序first, second = to, a}first.mu.Lock()defer first.mu.Unlock()second.mu.Lock()defer second.mu.Unlock()// 临界区开始if a.balance < amount {return errors.New("insufficient balance")}a.balance -= amountto.balance += amount// 临界区结束return nil
}深度解读：
- func (a *Account) Transfer(to *Account, amount int) error：定义了一个名为Transfer的方法，该方法属于Account类型的接收者，表示从一个账户向另一个账户转账。方法接收两个参数，to是指向目标账户的指针，amount是要转账的金额。返回值是error类型，用于处理可能出现的错误情况。
- 防止死锁的机制：在进行转账操作之前，首先对两个账户进行排序（通过比较两个账户指针的内存地址），确保总是先锁定地址较小的那个账户的互斥锁，然后再锁定地址较大的那个账户的互斥锁。这种按固定顺序加锁的策略可以有效避免两个或多个 goroutine 同时尝试锁定不同账户的互斥锁时出现的死锁情况。
- 互斥锁的使用：通过first.mu.Lock()和second.mu.Lock()分别锁定两个账户的互斥锁，确保在同一时间只有一个 goroutine 可以访问这两个账户的余额。defer first.mu.Unlock()和defer second.mu.Unlock()语句用于确保在函数执行完毕后，无论是否发生错误，最终都能释放这两个账户的互斥锁。
- 临界区：在两个账户的互斥锁都被成功锁定之后，就开始执行转账操作的临界区代码。首先检查转出账户的余额是否足够覆盖转账金额，如果余额不足，则返回一个错误信息"insufficient balance"。否则，从转出账户扣除相应的金额，并将该金额加到转入账户的余额中