前言

當(dāng)提到并發(fā)編程、多線程編程時(shí)，都會(huì)在第一時(shí)間想到鎖，鎖是并發(fā)編程中的同步原語，他可以保證多線程在訪問同一片內(nèi)存時(shí)不會(huì)出現(xiàn)競爭來保證并發(fā)安全；在Go語言中更推崇由channel通過通信的方式實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存，這個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)與許多主流編程語言不一致，但是Go語言也在sync包中提供了互斥鎖、讀寫鎖，畢竟channel也不能滿足所有場景，互斥鎖、讀寫鎖的使用與我們是分不開的，所以接下來我會(huì)分兩篇來分享互斥鎖、讀寫鎖是怎么實(shí)現(xiàn)的，本文我們先來看看互斥鎖的實(shí)現(xiàn)。

本文基于Golang版本：1.18

Go語言互斥鎖設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

mutex介紹

sync 包下的mutex就是互斥鎖，其提供了三個(gè)公開方法：調(diào)用Lock()獲得鎖，調(diào)用Unlock()釋放鎖，在Go1.18新提供了TryLock()方法可以非阻塞式的取鎖操作：

• Lock()：調(diào)用Lock方法進(jìn)行加鎖操作，使用時(shí)應(yīng)注意在同一個(gè)goroutine中必須在鎖釋放時(shí)才能再次上鎖，否則會(huì)導(dǎo)致程序panic。
• Unlock()：調(diào)用UnLock方法進(jìn)行解鎖操作，使用時(shí)應(yīng)注意未加鎖的時(shí)候釋放鎖會(huì)引起程序panic，已經(jīng)鎖定的 Mutex 并不與特定的 goroutine 相關(guān)聯(lián)，這樣可以利用一個(gè) goroutine 對(duì)其加鎖，再利用其他 goroutine 對(duì)其解鎖。
• tryLock()：調(diào)用TryLock方法嘗試獲取鎖，當(dāng)鎖被其他 goroutine 占有，或者當(dāng)前鎖正處于饑餓模式，它將立即返回 false，當(dāng)鎖可用時(shí)嘗試獲取鎖，獲取失敗不會(huì)自旋/阻塞，也會(huì)立即返回false；

mutex的結(jié)構(gòu)比較簡單只有兩個(gè)字段：

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

• state：表示當(dāng)前互斥鎖的狀態(tài)，復(fù)合型字段；
• sema：信號(hào)量變量，用來控制等待goroutine的阻塞休眠和喚醒

初看結(jié)構(gòu)你可能有點(diǎn)懵逼，互斥鎖應(yīng)該是一個(gè)復(fù)雜東西，怎么就兩個(gè)字段就可以實(shí)現(xiàn)？那是因?yàn)樵O(shè)計(jì)使用了位的方式來做標(biāo)志，state的不同位分別表示了不同的狀態(tài)，使用最小的內(nèi)存來表示更多的意義，其中低三位由低到高分別表示mutexed、mutexWoken 和 mutexStarving，剩下的位則用來表示當(dāng)前共有多少個(gè)goroutine在等待鎖：

const (
   mutexLocked = 1 << iota // 表示互斥鎖的鎖定狀態(tài)
   mutexWoken // 表示從正常模式被從喚醒
   mutexStarving // 當(dāng)前的互斥鎖進(jìn)入饑餓狀態(tài)
   mutexWaiterShift = iota // 當(dāng)前互斥鎖上等待者的數(shù)量
)

mutex最開始的實(shí)現(xiàn)只有正常模式，在正常模式下等待的線程按照先進(jìn)先出的方式獲取鎖，但是新創(chuàng)建的gouroutine會(huì)與剛被喚起的 goroutine競爭，會(huì)導(dǎo)致剛被喚起的 goroutine獲取不到鎖，這種情況的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致線程長時(shí)間被阻塞下去，所以Go語言在1.9中進(jìn)行了優(yōu)化，引入了饑餓模式，當(dāng)goroutine超過1ms沒有獲取到鎖，就會(huì)將當(dāng)前互斥鎖切換到饑餓模式，在饑餓模式中，互斥鎖會(huì)直接交給等待隊(duì)列最前面的goroutine，新的 goroutine 在該狀態(tài)下不能獲取鎖、也不會(huì)進(jìn)入自旋狀態(tài)，它們只會(huì)在隊(duì)列的末尾等待。如果一個(gè) goroutine 獲得了互斥鎖并且它在隊(duì)列的末尾或者它等待的時(shí)間少于 1ms，那么當(dāng)前的互斥鎖就會(huì)切換回正常模式。

mutex的基本情況大家都已經(jīng)掌握了，接下來我們從加鎖到解鎖來分析mutex是如何實(shí)現(xiàn)的；

Lock加鎖

從Lock方法入手：

func (m *Mutex) Lock() {
	// 判斷當(dāng)前鎖的狀態(tài)，如果鎖是完全空閑的，即m.state為0，則對(duì)其加鎖，將m.state的值賦為1
	if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
		if race.Enabled {
			race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
		}
		return
	}
	// Slow path (outlined so that the fast path can be inlined)
	m.lockSlow()
}

上面的代碼主要兩部分邏輯：

• 通過CAS判斷當(dāng)前鎖的狀態(tài)，也就是state字段的低1位，如果鎖是完全空閑的，即m.state為0，則對(duì)其加鎖，將m.state的值賦為1
• 若當(dāng)前鎖已經(jīng)被其他goroutine加鎖，則進(jìn)行lockSlow方法嘗試通過自旋或饑餓狀態(tài)下饑餓goroutine競爭方式等待鎖的釋放，我們?cè)谙旅娼榻BlockSlow方法；

lockSlow代碼段有點(diǎn)長，主體是一個(gè)for循環(huán)，其主要邏輯可以分為以下三部分：

• 狀態(tài)初始化
• 判斷是否符合自旋條件，符合條件進(jìn)行自旋操作
• 搶鎖準(zhǔn)備期望狀態(tài)
• 通過CAS操作更新期望狀態(tài)

初始化狀態(tài)

在locakSlow方法內(nèi)會(huì)先初始化5個(gè)字段：

func (m *Mutex) lockSlow() {
	var waitStartTime int64 
	starving := false
	awoke := false
	iter := 0
	old := m.state
	........
}

• waitStartTime用來計(jì)算waiter的等待時(shí)間
• starving是饑餓模式標(biāo)志，如果等待時(shí)長超過1ms，starving置為true，后續(xù)操作會(huì)把Mutex也標(biāo)記為饑餓狀態(tài)。
• awoke表示協(xié)程是否喚醒，當(dāng)goroutine在自旋時(shí)，相當(dāng)于CPU上已經(jīng)有在等鎖的協(xié)程。為避免Mutex解鎖時(shí)再喚醒其他協(xié)程，自旋時(shí)要嘗試把Mutex置為喚醒狀態(tài)，Mutex處于喚醒狀態(tài)后 要把本協(xié)程的 awoke 也置為true。
• iter用于記錄協(xié)程的自旋次數(shù)，
• old記錄當(dāng)前鎖的狀態(tài)

自旋

自旋的判斷條件非常苛刻：

for {
    // 判斷是否允許進(jìn)入自旋 兩個(gè)條件，條件1是當(dāng)前鎖不能處于饑餓狀態(tài)
    // 條件2是在runtime_canSpin內(nèi)實(shí)現(xiàn)，其邏輯是在多核CPU運(yùn)行，自旋的次數(shù)小于4
		if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
      // !awoke 判斷當(dāng)前goroutine不是在喚醒狀態(tài)
      // old&mutexWoken == 0 表示沒有其他正在喚醒的goroutine
      // old>>mutexWaiterShift != 0 表示等待隊(duì)列中有正在等待的goroutine
      // atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) 嘗試將當(dāng)前鎖的低2位的Woken狀態(tài)位設(shè)置為1，表示已被喚醒, 這是為了通知在解鎖Unlock()中不要再喚醒其他的waiter了
			if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
				atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
					// 設(shè)置當(dāng)前goroutine喚醒成功
          awoke = true
			}
      // 進(jìn)行自旋
			runtime_doSpin()
      // 自旋次數(shù)
			iter++
      // 記錄當(dāng)前鎖的狀態(tài)
			old = m.state
			continue
		}
}

自旋這里的條件還是很復(fù)雜的，我們想讓當(dāng)前goroutine進(jìn)入自旋轉(zhuǎn)的原因是我們樂觀的認(rèn)為當(dāng)前正在持有鎖的goroutine能在較短的時(shí)間內(nèi)歸還鎖，所以我們需要一些條件來判斷，mutex的判斷條件我們?cè)谖淖置枋鲆幌拢?/p>

old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked 用來判斷鎖是否處于正常模式且加鎖，為什么要這么判斷呢？

mutexLocked 二進(jìn)制表示為 0001

mutexStarving 二進(jìn)制表示為 0100

mutexLocked|mutexStarving 二進(jìn)制為 0101. 使用0101在當(dāng)前狀態(tài)做 &操作，如果當(dāng)前處于饑餓模式，低三位一定會(huì)是1，如果當(dāng)前處于加鎖模式，低1位一定會(huì)是1，所以使用該方法就可以判斷出當(dāng)前鎖是否處于正常模式且加鎖；

runtime_canSpin()方法用來判斷是否符合自旋條件：

// / go/go1.18/src/runtime/proc.go
const active_spin     = 4
func sync_runtime_canSpin(i int) bool {
	if i >= active_spin || ncpu <= 1 || gomaxprocs <= int32(sched.npidle+sched.nmspinning)+1 {
		return false
	}
	if p := getg().m.p.ptr(); !runqempty(p) {
		return false
	}
	return true
}

自旋條件如下：

• 自旋的次數(shù)要在4次以內(nèi)
• CPU必須為多核
• GOMAXPROCS>1
• 當(dāng)前機(jī)器上至少存在一個(gè)正在運(yùn)行的處理器 P 并且處理的運(yùn)行隊(duì)列為空；

判斷當(dāng)前goroutine可以進(jìn)自旋后，調(diào)用runtime_doSpin方法進(jìn)行自旋：

const active_spin_cnt = 30
func sync_runtime_doSpin() {
	procyield(active_spin_cnt)
}
// asm_amd64.s
TEXT runtime·procyield(SB),NOSPLIT,$0-0
	MOVL	cycles+0(FP), AX
again:
	PAUSE
	SUBL	$1, AX
	JNZ	again
	RET

循環(huán)次數(shù)被設(shè)置為30次，自旋操作就是執(zhí)行30次PAUSE指令，通過該指令占用CPU并消費(fèi)CPU時(shí)間，進(jìn)行忙等待；

這就是整個(gè)自旋操作的邏輯，這個(gè)就是為了優(yōu)化 等待阻塞->喚醒->參與搶占鎖這個(gè)過程不高效，所以使用自旋進(jìn)行優(yōu)化，在期望在這個(gè)過程中鎖被釋放。

搶鎖準(zhǔn)備期望狀態(tài)

自旋邏輯處理好后開始根據(jù)上下文計(jì)算當(dāng)前互斥鎖最新的狀態(tài)，根據(jù)不同的條件來計(jì)算mutexLocked、mutexStarving、mutexWoken 和 mutexWaiterShift：

首先計(jì)算mutexLocked的值：

    // 基于old狀態(tài)聲明到一個(gè)新狀態(tài)
		new := old
		// 新狀態(tài)處于非饑餓的條件下才可以加鎖
		if old&mutexStarving == 0 {
			new |= mutexLocked
		}

計(jì)算mutexWaiterShift的值：

//如果old已經(jīng)處于加鎖或者饑餓狀態(tài)，則等待者按照FIFO的順序排隊(duì)
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
			new += 1 << mutexWaiterShift
		}

計(jì)算mutexStarving的值：

// 如果當(dāng)前鎖處于饑餓模式，并且已被加鎖，則將低3位的Starving狀態(tài)位設(shè)置為1，表示饑餓
if starving && old&mutexLocked != 0 {
			new |= mutexStarving
		}

計(jì)算mutexWoken的值：

// 當(dāng)前goroutine的waiter被喚醒,則重置flag
if awoke {
			// 喚醒狀態(tài)不一致，直接拋出異常
			if new&mutexWoken == 0 {
				throw("sync: inconsistent mutex state")
			}
     // 新狀態(tài)清除喚醒標(biāo)記，因?yàn)楹竺娴膅oroutine只會(huì)阻塞或者搶鎖成功
     // 如果是掛起狀態(tài)，那就需要等待其他釋放鎖的goroutine來喚醒。
     // 假如其他goroutine在unlock的時(shí)候發(fā)現(xiàn)Woken的位置不是0，則就不會(huì)去喚醒，那該goroutine就無法在被喚醒后加鎖
			new &^= mutexWoken
}

通過CAS操作更新期望狀態(tài)

上面我們已經(jīng)得到了鎖的期望狀態(tài)，接下來通過CAS將鎖的狀態(tài)進(jìn)行更新：

// 這里嘗試將鎖的狀態(tài)更新為期望狀態(tài)
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
  // 如果原來鎖的狀態(tài)是沒有加鎖的并且不處于饑餓狀態(tài)，則表示當(dāng)前goroutine已經(jīng)獲取到鎖了，直接推出即可
			if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
				break // locked the mutex with CAS
			}
			// 到這里就表示goroutine還沒有獲取到鎖，waitStartTime是goroutine開始等待的時(shí)間，waitStartTime != 0就表示當(dāng)前goroutine已經(jīng)等待過了，則需要將其放置在等待隊(duì)列隊(duì)頭，否則就排到隊(duì)列隊(duì)尾
			queueLifo := waitStartTime != 0
			if waitStartTime == 0 {
				waitStartTime = runtime_nanotime()
			}
      // 阻塞等待
			runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)
      // 被信號(hào)量喚醒后檢查當(dāng)前goroutine是否應(yīng)該表示為饑餓
     // 1. 當(dāng)前goroutine已經(jīng)饑餓
     // 2. goroutine已經(jīng)等待了1ms以上
			starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
  // 再次獲取當(dāng)前鎖的狀態(tài)
			old = m.state
   // 如果當(dāng)前處于饑餓模式，
			if old&mutexStarving != 0 {
        // 如果當(dāng)前鎖既不是被獲取也不是被喚醒狀態(tài)，或者等待隊(duì)列為空 這代表鎖狀態(tài)產(chǎn)生了不一致的問題
				if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
					throw("sync: inconsistent mutex state")
				}
        // 當(dāng)前goroutine已經(jīng)獲取了鎖，等待隊(duì)列-1
				delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift
         // 當(dāng)前goroutine非饑餓狀態(tài) 或者 等待隊(duì)列只剩下一個(gè)waiter，則退出饑餓模式(清除饑餓標(biāo)識(shí)位)              
				if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
					delta -= mutexStarving
				}
        // 更新狀態(tài)值并中止for循環(huán)，拿到鎖退出
				atomic.AddInt32(&m.state, delta)
				break
			}
      // 設(shè)置當(dāng)前goroutine為喚醒狀態(tài)，且重置自璇次數(shù)
			awoke = true
			iter = 0
		} else {
      // 鎖被其他goroutine占用了，還原狀態(tài)繼續(xù)for循環(huán)
			old = m.state
		}

這塊的邏輯很復(fù)雜，通過CAS來判斷是否獲取到鎖，沒有通過 CAS 獲得鎖，會(huì)調(diào)用 runtime.sync_runtime_SemacquireMutex通過信號(hào)量保證資源不會(huì)被兩個(gè) goroutine 獲取，runtime.sync_runtime_SemacquireMutex會(huì)在方法中不斷嘗試獲取鎖并陷入休眠等待信號(hào)量的釋放，一旦當(dāng)前 goroutine 可以獲取信號(hào)量，它就會(huì)立刻返回，如果是新來的goroutine，就需要放在隊(duì)尾；如果是被喚醒的等待鎖的goroutine，就放在隊(duì)頭，整個(gè)過程還需要啃代碼來加深理解。

解鎖

相對(duì)于加鎖操作，解鎖的邏輯就沒有那么復(fù)雜了，接下來我們來看一看UnLock的邏輯：

func (m *Mutex) Unlock() {
	// Fast path: drop lock bit.
	new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
	if new != 0 {
		// Outlined slow path to allow inlining the fast path.
		// To hide unlockSlow during tracing we skip one extra frame when tracing GoUnblock.
		m.unlockSlow(new)
	}
}

使用AddInt32方法快速進(jìn)行解鎖，將m.state的低1位置為0，然后判斷新的m.state值，如果值為0，則代表當(dāng)前鎖已經(jīng)完全空閑了，結(jié)束解鎖，不等于0說明當(dāng)前鎖沒有被占用，會(huì)有等待的goroutine還未被喚醒，需要進(jìn)行一系列喚醒操作，這部分邏輯就在unlockSlow方法內(nèi)：

func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {
  // 這里表示解鎖了一個(gè)沒有上鎖的鎖，則直接發(fā)生panic
	if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
		throw("sync: unlock of unlocked mutex")
	}
  // 正常模式的釋放鎖邏輯
	if new&mutexStarving == 0 {
		old := new
		for {
      // 如果沒有等待者則直接返回即可
      // 如果鎖處于加鎖的狀態(tài)，表示已經(jīng)有g(shù)oroutine獲取到了鎖，可以返回
      // 如果鎖處于喚醒狀態(tài)，這表明有等待的goroutine被喚醒了，不用嘗試獲取其他goroutine了
      // 如果鎖處于饑餓模式，鎖之后會(huì)直接給等待隊(duì)頭goroutine
			if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
				return
			}
			// 搶占喚醒標(biāo)志位，這里是想要把鎖的狀態(tài)設(shè)置為被喚醒，然后waiter隊(duì)列-1
			new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
			if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
        // 搶占成功喚醒一個(gè)goroutine
				runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
				return
			}
      // 執(zhí)行搶占不成功時(shí)重新更新一下狀態(tài)信息，下次for循環(huán)繼續(xù)處理
			old = m.state
		}
	} else {
    // 饑餓模式釋放鎖邏輯，直接喚醒等待隊(duì)列g(shù)oroutine
		runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
	}
}

我們?cè)趩拘?code>goroutine時(shí)正常模式/饑餓模式都調(diào)用func runtime_Semrelease(s *uint32, handoff bool, skipframes int)，這兩種模式在第二個(gè)參數(shù)的傳參上不同，如果handoff is true, pass count directly to the first waiter.。

非阻塞加鎖

Go語言在1.18版本中引入了非阻塞加鎖的方法TryLock()，其實(shí)現(xiàn)就很簡潔：

func (m *Mutex) TryLock() bool {
  // 記錄當(dāng)前狀態(tài)
	old := m.state
  //  處于加鎖狀態(tài)/饑餓狀態(tài)直接獲取鎖失敗
	if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
		return false
	}
	// 嘗試獲取鎖，獲取失敗直接獲取失敗
	if !atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexLocked) {
		return false
	}


	return true
}

TryLock的實(shí)現(xiàn)就比較簡單了，主要就是兩個(gè)判斷邏輯：

• 判斷當(dāng)前鎖的狀態(tài)，如果鎖處于加鎖狀態(tài)或饑餓狀態(tài)直接獲取鎖失敗
• 嘗試獲取鎖，獲取失敗直接獲取鎖失敗

TryLock并不被鼓勵(lì)使用，至少我還沒想到有什么場景可以使用到它。

總結(jié)

通讀源碼后你會(huì)發(fā)現(xiàn)互斥鎖的邏輯真的十分復(fù)雜，代碼量雖然不多，但是很難以理解，一些細(xì)節(jié)點(diǎn)還需要大家多看看幾遍才能理解其為什么這樣做，文末我們?cè)倏偨Y(jié)一下互斥鎖的知識(shí)點(diǎn)：

• 互斥鎖有兩種模式：正常模式、饑餓模式，饑餓模式的出現(xiàn)是為了優(yōu)化正常模式下剛被喚起的goroutine與新創(chuàng)建的goroutine競爭時(shí)長時(shí)間獲取不到鎖，在Go1.9時(shí)引入饑餓模式，如果一個(gè)goroutine獲取鎖失敗超過1ms,則會(huì)將Mutex切換為饑餓模式，如果一個(gè)goroutine獲得了鎖，并且他在等待隊(duì)列隊(duì)尾 或者 他等待小于1ms，則會(huì)將Mutex的模式切換回正常模式
• 加鎖的過程：
  • 鎖處于完全空閑狀態(tài)，通過CAS直接加鎖
  • 當(dāng)鎖處于正常模式、加鎖狀態(tài)下，并且符合自旋條件，則會(huì)嘗試最多4次的自旋
  • 若當(dāng)前goroutine不滿足自旋條件時(shí)，計(jì)算當(dāng)前goroutine的鎖期望狀態(tài)
  • 嘗試使用CAS更新鎖狀態(tài)，若更新鎖狀態(tài)成功判斷當(dāng)前goroutine是否可以獲取到鎖，獲取到鎖直接退出即可，若獲取不到鎖則陷入睡眠，等待被喚醒
  • goroutine被喚醒后，如果鎖處于饑餓模式，則直接拿到鎖，否則重置自旋次數(shù)、標(biāo)志喚醒位，重新走for循環(huán)自旋、獲取鎖邏輯；
• 解鎖的過程
  • 原子操作mutexLocked，如果鎖為完全空閑狀態(tài)，直接解鎖成功
  • 如果鎖不是完全空閑狀態(tài)，，那么進(jìn)入unlockedslow邏輯
  • 如果解鎖一個(gè)未上鎖的鎖直接panic，因?yàn)闆]加鎖mutexLocked的值為0，解鎖時(shí)進(jìn)行mutexLocked - 1操作，這個(gè)操作會(huì)讓整個(gè)互斥鎖混亂，所以需要有這個(gè)判斷
  • 如果鎖處于饑餓模式直接喚醒等待隊(duì)列隊(duì)頭的waiter
  • 如果鎖處于正常模式下，沒有等待的goroutine可以直接退出，如果鎖已經(jīng)處于鎖定狀態(tài)、喚醒狀態(tài)、饑餓模式則可以直接退出，因?yàn)橐呀?jīng)有被喚醒的 goroutine 獲得了鎖.
• 使用互斥鎖時(shí)切記拷貝Mutex，因?yàn)榭截?code>Mutex時(shí)會(huì)連帶狀態(tài)一起拷貝，因?yàn)?code>Lock時(shí)只有鎖在完全空閑時(shí)才會(huì)獲取鎖成功，拷貝時(shí)連帶狀態(tài)一起拷貝后，會(huì)造成死鎖
• TryLock的實(shí)現(xiàn)邏輯很簡單，主要判斷當(dāng)前鎖處于加鎖狀態(tài)、饑餓模式就會(huì)直接獲取鎖失敗，嘗試獲取鎖失敗直接返回；

到此這篇關(guān)于Go語言的互斥鎖的詳細(xì)使用的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Go語言 互斥鎖內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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