Golang Mutex互斥锁深入理解
作者：酒红 发布时间：2024-04-25 13:18:08
引言
Golang的并发编程令人着迷，使用轻量的协程、基于CSP的channel、简单的go func()就可以开始并发编程，在并发编程中，往往离不开锁的概念。
本文介绍了常用的同步原语 sync.Mutex,同时从源码剖析它的结构与实现原理，最后简单介绍了mutex在日常使用中可能遇到的问题，希望大家读有所获。
Mutex结构
Mutex运行时数据结构位于sync/mutex.go包
type Mutex struct {
state int32
sema uint32
}
其中state表示当前互斥锁的状态，sema表示 控制锁状态的信号量.
互斥锁的状态定义在常量中:
const (
mutexLocked = 1 << iota // 1 ,处于锁定状态; 2^0
mutexWoken // 2 ;从正常模式被从唤醒; 2^1
mutexStarving // 4 ;处于饥饿状态; 2^2
mutexWaiterShift = iota // 3 ;获得互斥锁上等待的Goroutine个数需要左移的位数: 1 << mutexWaiterShift
starvationThresholdNs = 1e6 // 锁进入饥饿状态的等待时间
)
0即其他状态。
sema是一个组合，低三位分别表示锁的三种状态，高29位表示正在等待互斥锁释放的gorountine个数，和Java表示线程池状态那部分有点类似
一个mutex对象仅占用8个字节，让人不禁感叹其设计的巧妙
饥饿模式和正常模式
正常模式
在正常模式下，等待的协程会按照先进先出的顺序得到锁 在正常模式下，刚被唤醒的goroutine与新创建的goroutine竞争时，大概率无法获得锁。
饥饿模式
为了避免正常模式下，goroutine被“饿死”的情况，go在1.19版本引入了饥饿模式，保证了Mutex的公平性
在饥饿模式中，互斥锁会直接交给等待队列最前面的goroutine。新的goroutine 在该状态下不能获取锁、也不会进入自旋状态，它们只会在队列的末尾等待。
状态的切换
在正常模式下，一旦Goroutine超过1ms没有获取到锁，它就会将当前互斥锁切换饥饿模式
如果一个goroutine 获得了互斥锁并且它在队列的末尾或者它等待的时间少于 1ms，那么当前的互斥锁就会切换回正常模式。
加锁和解锁
加锁
func (m *Mutex) Lock() {
// Fast path: grab unlocked mutex.
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
return
}
// 原注释： Slow path (outlined so that the fast path can be inlined)
// 将
m.lockSlow()
}
可以看到，当前互斥锁的状态为0时，尝试将当前锁状态设置为更新锁定状态，且这些操作是原子的。
若当前状态不为0，则进入lockSlow方法
先定义了几个参数
var waitStartTime int64
starving := false //
awoke := false
iter := 0
old := m.state
随后进入一个很大的for循环,让我们来逐步分析
自旋
for {
// 1 && 2
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
// 3.
if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
awoke = true
}
runtime_doSpin()
iter++
old = m.state
continue
}
old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked
当且仅当当前锁状态为mutexLocked时，表达式为true
runtime_canSpin(iter) 是否满足自旋条件
运行在拥有多个CPU的机器上；
当前Goroutine为了获取该锁进入自旋的次数小于四次；
当前机器上至少存在一个正在运行的处理器 P，并且处理的运行队列为空；
如果当前状态下自旋是合理的，将awoke置为true，同时设置锁状态为mutexWoken，进入自旋逻辑
runtime_doSpin()会执行30次PAUSE指令，并且仅占用CPU资源 代码位于：runtime\asm_amd64.s +567
//go:linkname sync_runtime_doSpin sync.runtime_doSpin
//go:nosplit
func sync_runtime_doSpin() {
procyield(active_spin_cnt)
}
TEXT runtime·procyield(SB),NOSPLIT,$0-0
MOVL cycles+0(FP), AX
again:
PAUSE
SUBL $1, AX
JNZ again
RET
计算锁的新状态
停止了自旋后，
new := old
// 1.
if old&mutexStarving == 0 {
new |= mutexLocked
}
// 2.
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
new += 1 << mutexWaiterShift
}
// 3 && 4.
if starving && old&mutexLocked != 0 {
new |= mutexStarving
}
// 5.
if awoke {
if new&mutexWoken == 0 {
throw("sync: inconsistent mutex state")
}
new &^= mutexWoken
}
old&mutexStarving == 0表明原来不是饥饿模式。如果是饥饿模式的话，其他goroutine不会执行接下来的代码，直接进入等待队列队尾如果原来是
mutexLocked或者mutexStarving模式，waiterCounts数加一如果被标记为饥饿状态，且锁状态为
mutexLocked的话，设置锁的新状态为饥饿状态。被标记为饥饿状态的前提是
被唤醒过且抢锁失败计算新状态
更新锁状态
// 1.
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
break // locked the mutex with CAS
}
// 2.
queueLifo := waitStartTime != 0
if waitStartTime == 0 {
waitStartTime = runtime_nanotime()
}
// 3.
runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)
// 4.
starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
old = m.state
// 5.
if old&mutexStarving != 0 {
/
if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
throw("sync: inconsistent mutex state")
}
delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
delta -= mutexStarving
}
atomic.AddInt32(&m.state, delta)
break
}
awoke = true
iter = 0
} else {
old = m.state
}
}
尝试将锁状态设置为new 。这里设置成功不代表上锁成功，有可能new不为
mutexLocked或者是waiterCount数量的改变waitStartTime不为0 说明当前goroutine已经等待过了，将当前goroutine放到等待队列的队头走到这里，会调用
runtime_SemacquireMutex方法使当前协程阻塞，runtime_SemacquireMutex方法中会不断尝试获得锁，并会陷入休眠 等待信号量释放。当前协程可以获得信号量，从
runtime_SemacquireMutex方法中返回。此时协程会去更新starving标志位：如果当前starving标志位为true或者等待时间超过starvationThresholdNs,将starving置为true
之后会按照饥饿模式与正常模式，走不同的逻辑
- 在正常模式下，这段代码会设置唤醒和饥饿标记、重置迭代次数并重新执行获取锁的循环；
- 在饥饿模式下，当前 Goroutine 会获得互斥锁，如果等待队列中只存在当前 Goroutine，互斥锁还会从饥饿模式中退出；
解锁
func (m *Mutex) Unlock() {
// 1.
new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
if new != 0 {
// 2.
m.unlockSlow(new)
}
}
将锁状态的值增加 -mutexLocked 。如果新状态不等于0，进入
unlockSlow方法
func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {
// 1.
if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
throw("sync: unlock of unlocked mutex")
}
if new&mutexStarving == 0 {
old := new
for {
// 2.
if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
return
}
// 2.1.
new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
// 2.2.
runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
return
}
old = m.state
}
} else {
// 3.
runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
}
}
1.new+mutexLocked代表将锁置为1，如果两个状态& 不为0，则说明重复解锁.如果重复解锁则抛出panic
2. 如果等待者数量等于0，或者锁的状态已经变为mutexWoken、mutexStarving、mutexStarving，则直接返回
将waiterCount数量-1，尝试选择一个goroutine唤醒
尝试更新锁状态，如果更新锁状态成功，则唤醒队尾的一个gorountine
3. 如果不满足 2的判断条件，则进入饥饿模式，同时交出锁的使用权
可能遇到的问题
锁拷贝
mu1 := &sync.Mutex{}
mu1.Lock()
mu2 := mu1
mu2.Unlock()
此时mu2能够正常解锁，那么我们再试试解锁mu1呢
mu1 := &sync.Mutex{}
mu1.Lock()
mu2 := mu1
mu2.Unlock()
mu1.Unlock()
可以看到发生了error
panic导致没有unlock
当lock()之后，可能由于代码问题导致程序发生了panic，那么mutex无法被及时unlock()，由于其他协程还在等待锁，此时可能触发死锁
func TestWithLock() {
nums := 100
wg := &sync.WaitGroup{}
safeSlice := SafeSlice{
s: []int{},
lock: new(sync.RWMutex),
}
i := 0
for idx := 0; idx < nums; idx++ { // 并行nums个协程做append
wg.Add(1)
go func() {
defer func() {
if r := recover(); r != nil {
log.Println("recover")
}
wg.Done()
}()
safeSlice.lock.Lock()
safeSlice.s = append(safeSlice.s, i)
if i == 98{
panic("123")
}
i++
safeSlice.lock.Unlock()
}()
}
wg.Wait()
log.Println(len(safeSlice.s))
}
修改：
func TestWithLock() {
nums := 100
wg := &sync.WaitGroup{}
safeSlice := SafeSlice{
s: []int{},
lock: new(sync.RWMutex),
}
i := 0
for idx := 0; idx < nums; idx++ { // 并行nums个协程做append
wg.Add(1)
go func() {
defer func() {
if r := recover(); r != nil {
}
safeSlice.lock.Unlock()
wg.Done()
}()
safeSlice.lock.Lock()
safeSlice.s = append(safeSlice.s, i)
if i == 98{
panic("123")
}
i++
}()
}
wg.Wait()
log.Println(len(safeSlice.s))
}
来源：https://juejin.cn/post/7095334586019741704
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