Golang Mutex 原理详细解析

前言

互斥锁是在并发程序中对共享资源进行访问控制的主要手段。对此 Go 语言提供了简单易用的 Mutex。Mutex 和 Goroutine 合作紧密，概念容易混淆，一定注意要区分各自的概念。

Mutex 是一个结构体，对外提供 Lock()和Unlock()两个方法，分别用来加锁和解锁。

// A Locker represents an object that can be locked and unlocked.
type Locker interface {
    Lock()
    Unlock()
}

type Mutex struct {
    state int32 
    sema  uint32
}

const (
	mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
	mutexWoken
	mutexStarving
	mutexWaiterShift = iota
)

• Mutex 是一个互斥锁，其零值对应了未上锁的状态，不能被拷贝；
• state 代表互斥锁的状态，比如是否被锁定；
• sema 表示信号量，协程阻塞会等待该信号量，解锁的协程释放信号量从而唤醒等待信号量的协程。

注意到 state 是一个 int32 变量，内部实现时把该变量分成四份，用于记录 Mutex 的状态。

• Locked: 表示该 Mutex 是否已经被锁定，0表示没有锁定，1表示已经被锁定；
• Woken: 表示是否有协程已经被唤醒，0表示没有协程唤醒，1表示已经有协程唤醒，正在加锁过程中；
• Starving: 表示该 Mutex 是否处于饥饿状态，0表示没有饥饿，1表示饥饿状态，说明有协程阻塞了超过1ms；

上面三个表示了 Mutex 的三个状态：锁定 - 唤醒 - 饥饿。

Waiter 信息虽然也存在 state 中，其实并不代表状态。它表示阻塞等待锁的协程个数，协程解锁时根据此值来判断是否需要释放信号量。

协程之间的抢锁，实际上争抢给Locked赋值的权利，能给 Locked 置为1，就说明抢锁成功。抢不到就阻塞等待 sema 信号量，一旦持有锁的协程解锁，那么等待的协程会依次被唤醒。

Woken 和 Starving 主要用于控制协程间的抢锁过程。

Lock

func (m *Mutex) Lock() {
	// Fast path: grab unlocked mutex.
	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()
}

若当前锁已经被使用，请求 Lock() 的 goroutine 会阻塞，直到锁可用为止。

单协程加锁

若只有一个协程加锁，无其他协程干扰，在加锁过程中会判断 Locked 标志位是否为 0，若当前为 0 则置为 1，代表加锁成功。这里本质是一个 CAS 操作，依赖了 atomic.CompareAndSwapInt32。

加锁被阻塞

假设协程B在尝试加锁前，已经有一个协程A获取到了锁，此时的状态为：

此时协程B尝试加锁，被阻塞，Mutex 的状态为：

Waiter 计数器增加了1，协程B将会持续阻塞，直到 Locked 值变成0 后才会被唤醒。

Unlock

func (m *Mutex) Unlock() {
	if race.Enabled {
		_ = m.state
		race.Release(unsafe.Pointer(m))
	}

	// 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)
	}
}

如果 Mutex 没有被加锁，就直接 Unlock ，会抛出一个 runtime error。

从源码注释来看，一个 Mutex 并不会与某个特定的 goroutine 绑定，理论上讲用一个 goroutine 加锁，另一个 goroutine 解锁也是允许的，不过为了代码可维护性，一般还是建议不要这么搞。

A locked Mutex is not associated with a particular goroutine. It is allowed for one goroutine to lock a Mutex and then arrange for another goroutine to unlock it.

无协程阻塞下的解锁

假定在解锁时，没有其他协程阻塞等待加锁，那么只需要将 Locked 置为 0 即可，不需要释放信号量。

解锁并唤醒协程

假定解锁时有1个或多个协程阻塞，解锁过程分为两个步骤：

• 将Locked位置0；
• 看到 Waiter > 0，释放一个信号量，唤醒一个阻塞的协程，被唤醒的协程把 Locked 置为1，获取到锁。

自旋

加锁时，如果当前 Locked 位为1，则说明当前该锁由其他协程持有，尝试加锁的协程并不是马上转入阻塞，而是会持续探测 Locked 位是否变为0，这个过程就是「自旋」。

自旋的时间很短，如果在自旋过程中发现锁已经被释放，那么协程可以立即获取锁。此时即便有协程被唤醒，也无法获取锁，只能再次阻塞。

自旋的好处是，当加锁失败时不必立即转入阻塞，有一定机会获取到锁，这样可以避免一部分协程的切换。

什么是自旋

自旋对应于 CPU 的 PAUSE 指令，CPU 对该指令什么都不做，相当于空转。对程序而言相当于sleep了很小一段时间，大概 30个时钟周期。连续两次探测Locked 位的间隔就是在执行这些 PAUSE 指令，它不同于sleep，不需要将协程转为睡眠态。

自旋条件

加锁时 Golang 的 runtime 会自动判断是否可以自旋，无限制的自旋将给 CPU 带来巨大压力，自旋必须满足以下所有条件：

• 自旋次数要足够少，通常为 4，即自旋最多 4 次；
• CPU 核数要大于 1，否则自旋没有意义，因为此时不可能有其他协程释放锁；
• 协程调度机制中的 P 的数量要大于 1，比如使用 GOMAXPROCS() 将处理器设置为 1 就不能启用自旋；
• 协程调度机制中的可运行队列必须为空，否则会延迟协程调度。

可见自旋的条件是很苛刻的，简单说就是不忙的时候才会启用自旋。

自旋的优势

自旋的优势是更充分地利用 CPU，尽量避免协程切换。因为当前申请加锁的协程拥有 CPU，如果经过短时间的自旋可以获得锁，则当前写成可以继续运行，不必进入阻塞状态。

自旋的问题

如果在自旋过程中获得锁，那么之前被阻塞的协程就无法获得。如果加锁的协程特别多，每次都通过自旋获取锁，则之前被阻塞的协程将很难获取锁，从而进入【饥饿状态】。

为此，Golang 1.8 版本后为Mutex增加了Starving模式，在这个状态下不会自旋，一旦有协程释放锁。那么一定会唤醒一个协程并成功加锁。

Mutex 的模式

每个 Mutex 都有两种模式：Normal, Starving。

Normal 模式

默认情况下的模式就是 Normal。 在该模式下，协程如果加锁不成功，不会立即转入阻塞排队（先进先出），而是判断是否满足自旋条件，如果满足则会启动自旋过程，尝试抢锁。

Starving 模式

自旋过程中能抢到锁，一定意味着同一时刻有协程释放了锁。我们知道释放锁时，如果发现有阻塞等待的协程，那么还会释放一个信号量来唤醒一个等待协程，被唤醒的协程得到 CPU 后开始运行，此时发现锁已经被抢占了，自己只好再次阻塞，不过阻塞前会判断，自上次阻塞到本次阻塞经过了多长时间，如果超过 1ms，则会将 Mutex 标记为 Starving模式，然后阻塞。

在Starving模式下，不会启动自旋过程，一旦有协程释放了锁，一定会唤醒协程，被唤醒的协程将成功获取锁，同时会把等待计数减 1。

Woken 状态

Woken 状态用于加锁和解锁过程中的通信。比如，同一时刻，两个协程一个在加锁，一个在解锁，在加锁的协程可能在自旋过程中，此时把 Woken 标记为 1，用于通知解锁协程不必释放信号量，类似知会一下对方，不用释放了，我马上就拿到锁了。

到此这篇关于Golang Mutex 原理详细解析的文章就介绍到这了,更多相关Golang Mutex 内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！

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