互斥锁

什么是互斥锁（mutex）？

假设我们希望某段代码在同一时间只能被一个协程（goroutine）访问，此时就需要一种加锁和解锁的机制，这种机制可以通过 互斥锁（mutex） 来实现。

我们可以使用互斥锁来锁定和解锁一段代码。被互斥锁保护的代码区域称为临界区（critical section）。互斥锁还可用于保护缓存、状态和寄存器等共享资源，防止多个协程同时访问。

互斥锁用于保护共享资源，具有排他性。如果某个协程获得了互斥锁，那么必须由该协程在操作完成后释放这把锁。

临界区

在并发编程中，多个线程或协程同时访问共享资源可能导致不可预期或错误的行为。临界区是指程序中访问共享变量的一段代码。在临界区内，操作必须是原子性的——即同一时刻只能有一个进程或协程执行这段代码。

临界区可能只包含单个变量，也可以是一段包含若干操作的代码块。

注意：不建议将所有代码都放入临界区。这样做可能会显著影响程序的执行效率。如果所有操作都被放在临界区内，当一个线程获得锁后，其余所有线程都会被阻塞，包括那些与共享资源无关的线程。有些函数执行时间较长，但本身并不涉及共享数据，不会受到并发影响。在这种情况下，若将其也纳入临界区，只会无谓地增加整体运行时间。

代码解析

我们来看一个实际的例子：

1package main
2
3import (
4	"fmt"
5	"runtime"
6	"sync"
7)
8
9func main() {
10
11	runtime.GOMAXPROCS(4)
12	value, x := 0, 5
13	var wg sync.WaitGroup
14
15	decrement := func() {
16		defer wg.Done()
17		value -= x
18	}
19
20	increment := func() {
21		defer wg.Done()
22		value += x
23	}
24
25	for i := 0; i < 200; i++ {
26		wg.Add(2)
27		go increment()
28		go decrement()
29	}
30
31	wg.Wait()
32	fmt.Println(value)
33
34}

这段代码每次运行的结果都可能不同。原因在于变量 value 不是并发安全的，多个协程同时读写导致了数据竞争（race condition）。总共 400 个协程在争抢修改 value 的值。

如果我们通过将变量操作置于临界区，或使用原子操作来保证线程安全，结果将始终为零。

下面我们看一个并发安全的版本：

1package main
2
3import (
4	"fmt"
5	"runtime"
6	"sync"
7)
8
9func main() {
10	
11	runtime.GOMAXPROCS(4)
12	value, x := 0, 5
13	var wg sync.WaitGroup
14    var mu sync.Mutex
15
16	decrement := func() {
17		defer wg.Done()
18        mu.Lock()
19		value -= x
20    	mu.Unlock()
21	}
22
23	increment := func() {
24		defer wg.Done()
25		mu.Lock()
26		value += x
27    	mu.Unlock()
28	}
29
30	for i := 0; i < 200; i++ {
31		wg.Add(2)
32		go increment()
33		go decrement()
34	}
35
36	wg.Wait()
37	fmt.Println(value)
38	
39}

上述代码每次运行都会输出 0。因为此时每次只有一个协程能够更新 value 的值，消除了多个协程之间的竞争。