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Golang 并发编程高频面试题与答案(15道)

1、Mutex 几种状态

  • mutexLocked :表示互斥锁的 锁定状态
  • mutexWoken :表示从 正常模式被从唤醒
  • mutexStarving :当前的互斥锁进入 饥饿状态
  • waiterCount :当前互斥锁上 等待的 Goroutine 个数;

2、Mutex 正常模式和饥饿模式

正常模式 (非公平锁)

正常模式下,所有等待锁的 goroutine 按照 FIFO (先进先出)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 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

饥饿模式 (公平锁)

为了解决等待 G 队列的 长尾问题 ,饥饿模式下,直接由 unlock 把锁交给等待队列中排在 第一位的 G(队头)

同时,饥饿模式下,新进来的 G 不会参与抢锁也 不会进入自旋状态 ,会直接进入等待队列的 尾部 ,这样很好的 解决了老的 G 一直抢不到锁的场景

饥饿模式的 触发条件 ,当一个 G 等待锁时间超过 1ms 时,或者当前队列 只剩下一个 G 的时候, Mutex 切换到饥饿模式

总结:

对于两种模式, 正常模式下的性能是最好的 goroutine 可以连续多次获取锁, 饥饿模式解决了取锁公平的问题,但是性能会下降 ,其实是性能和公平的一个平衡模式。

3、mutex 允许自旋的条件

  1. 锁已被 占用 ,并且锁 不处于饥饿模式
  2. 积累的自旋次数 小于 最大自旋次数( active_spin=4 )。
  3. CPU 核数大于 1 .
  4. 空闲 P
  5. 当前 goroutine 所挂载的 P 下,本地 待运行队列为空

4、RWMutext 实现

通过记录 readerCount 读锁的数量来进行控制,当有一个写锁的时候,会将读锁数量设置为负数 1<< 30

目的是让新进入的读锁等待写锁之后释放通知读锁

同样的 写锁也会等待之前的读锁都释放完毕,才会开始进行后续的操作

而等写锁释放之后,会将值重新加上 1<<30 ,并通知刚才新进入的读锁( rw.readerSem ),两者互相限制。

5、RWMutex 注意事项(有10点)

  • RWMutex 单写多读锁 ,该锁可以加 多个读锁或者一个写锁
  • 读锁占用 的情况下会 阻止写 不会阻止读 ,多个 goroutine 可以 同时获取读锁

  • 写锁 会阻止其他 goroutine 无论读和写 )进来,整个锁由该 goroutine 独占。
  • 适用于 读多于写 的场景。

  • RWMutex 类型变量的零值是一个 未锁定状态的互斥锁
  • RWMtex 在首次被 使用之后就不能再被拷贝

  • RWMutex 的读锁或写锁在 未锁定状态 解锁 操作都会 引发 panic
  • RWMutex 的一个写锁 Lock 去锁定临界区的共享资源,如果临界区的共享资源 已被(读锁或写锁)锁定 ,这个写锁操作的 goroutine 将被 阻塞直到解锁

  • RWMutex 的读锁不要用于 递归调用 ,比较容易 产生死锁
  • RWMutex 的锁定状态与特定的 goroutine 没有关联。一个 goroutine 可以 RLock(Lock) ,另一个 goroutine 可以 RUnlock(Unlock)

  • 写锁被解锁后,所有因操作锁定读锁而被阻塞的 goroutine 会被唤醒 ),并都可以成功锁定读锁。

  • 读锁被解锁后,在没有其他读锁锁定的前提下,所有因操作锁定写锁而被阻塞的 goroutine ,其中 等待时间最长的一个 goroutine 会被唤醒

6、Cond 是什么?

Cond 实现了一种条件变量,可以使用在多个 Reader 等待共享资源 ready 的场景(如果只有一读一写,一个锁或者 channel 就搞定了)

每个 cond 都会关联一个 Lock(*sync.Mutex or *sync.RWMutex) ,当修改条件或者调用 Wait 方法时,必须加锁,保护 condition

7、Broadcast 和 Signal 区别

 func (c *Cond) Broadcase()  

Broadcast 会唤醒所有等待 c goroutine 。调用 Broadcast 的时候,可以加锁,也可以不加锁。

 func (c *Cond) Signal()  

Signal 只唤醒 1 个等待 c goroutine 。调用 Signal 的时候,可以加锁,也可以不加锁。

8、Cond 中 Wait 使用

 func (c *Cond) Wait()  

Wait() 会自动释放 c.L ,并挂起调用者的 goroutine 。之后恢复执行, Wait() 会在返回时对 c.L 加锁。

除非被 Signal 或者 Broadcast 唤醒,否则 Wait() 不会返回。

由于 Wait() 第一次恢复时, c.L 并没有加锁,所以当 Wait 返回时,调用者通常并不能假设条件为真。

取而代之的是,调用者应该在循环中调用 Wait 。( 简单来说,只要想使用 condition,就必须加锁 )。

 c.L.Lock()
for !condition() {
  c.Wait()
}
... make use of confition...
c.L.Unlock()  

9、WaitGroup 用法

一个 WaitGroup 对象可以等待一组协程结束。使用方法是:

  1. main 协程通过调用 wg.Add(delta int) 设置 worker 协程的个数,然后创建 worker 协程;
  2. worker 协程执行结束以后,都要调用 wg.Done() ;
  3. main 协程调用 wg.Wait() 且被 block ,直到所有 worker 协程全部执行结束后返回。

10、WaitGroup 实现原理

  • WaitGroup 主要维护了 2 个计数器,一个是请求计数器 v ,一个是等待计数器 w ,二者组成一个 64bit 的值,请求计数器占高 32bit ,等待计数器占低 32bit

  • 每次 Add 执行,请求计数器 v 1 Done 方法执行后,请求计数器减 1 v 0 时通过信号量唤醒 Wait()

11、什么是 sync.Once

  • Once 可以用来执行且仅仅执行一次动作 ,常常用于单例对象的初始化场景。

  • Once 常常用来 初始化单例资源 ,或者并发访问只需要 初始化一次的共享资源 ,或者在测试的时候 初始化一次测试资源

  • sync.Once 只暴露了一个方法 Do ,你可以多次调用 Do 方法,但是只有第一次调用 Do 方法时 f 参数才会执行,这里的 f 是一个 无参数无返回值 的函数。

12、什么操作叫做原子操作

一个或者多个操作在 CPU 执行过程中 不被中断 的特性,称为 原子性(automicity)

这些操作对外表现成一个 不可分割 的整体,他们 要么都执行,要么都不执行 ,外界不会看到他们只执行到一半的状态。

而在现实世界中, CPU 不可以不中断的执行一系列操作,但如果我们在执行多个操作时,能让他们的 中间状态对外不可见 ,那我们就可以宣称他们 拥有了“不可分割”的原子性

在 Go 中,一条普通的赋值语句其实不是一个原子操作。

例如,在 32 位机器上写 int64 类型的变量,就会有中间状态,因为他会被拆成两次写操作( MOV )—-写低 32 位和写高 32 位。

13、原子操作和锁的区别

原子操作由 底层硬件支持 ,而锁则由 操作系统的调度器实现

锁就当用来保护一段逻辑,对于一个变量更新的保护, 原子操作通常会更有效率,并且更能利用计算机多核的优势。

如果要更新的是一个复合对象,则就当使用 atomic.Value 封装好的实现。

14、什么是 CAS

CAS 的全称为 Compare And Swap ,直译就是 比较交换

它是一条 CPU 的原子指令,其作用是让 CPU 先进行比较两个值是否相等,然后原子地更新某个位置的值。

其实现方式是给予硬件平台的汇编指令,在 intel CPU 中,使用的 comXchg 指令,就是说 CAS 是靠硬件实现的,从而在硬件层提升效率

简述 过程是这样:

假设包含 3 参数内存位置( V )、预期原值( A )和新值( B )。 V 表示要更新变量的值, E 表示预期值,N 表示新值。

仅当 V 值等于 E 值时,才会将 V 的值设为 N ,如果 V 值和 E 值不同,则说明已经有其他线程在做更新,则当前线程什么都不做,最后 CAS 返回当前 V 的真实值。

CAS 操作时抱着乐观的态度进行的,它总是认为自己可以成功完成操作

基于这样的原理, CAS 操作即使没有锁,也可以发现其他线程对于当前线程的干扰。

15、sync.Pool 有什么用

对于很多需要重复分配、回收内存的地方, sync.Pool 是一个很好的选择。

频繁地分配、回收内存会给 GC 带来一定的负担, 严重的时候会引起 CPU 的毛刺

sync.Pool 可以将暂时不用的对象 缓存起来 ,待下次需要的时候 直接使用 ,不用再次经过内存分配, 复用 对象的内存, 减轻 GC 的压力 ,提升系统的性能。

混迹于代码江湖,苟且于编程世界。

文章来源:智云一二三科技

文章标题:Golang 并发编程高频面试题与答案(15道)

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