GO 互斥锁实现原理剖析

Posted 2022-12-04 nogos

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了GO 互斥锁实现原理剖析相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

前言

互斥锁是并发程序中对共享资源进行访问控制的主要手段，对此Go语言提供了非常简单易用的Mutex，Mutex为一结构体类型，对外暴露两个方法Lock()和Unlock()分别用于加锁和解锁。

Mutex使用起来非常方便，但其内部实现却复杂得多，这包括Mutex的几种状态。另外，我们也想探究一下Mutex重复解锁引起panic的原因。

按照惯例，本节内容从源码入手，提取出实现原理，又不会过分纠结于实现细节。

Mutex数据结构

2.1 Mutex结构体

源码包src/sync/mutex.go:Mutex定义了互斥锁的数据结构：

type Mutex struct 
	state int32
	sema  uint32

Mutex.state表示互斥锁的状态，比如是否被锁定等。
Mutex.sema表示信号量，协程阻塞等待该信号量，解锁的协程释放信号量从而唤醒等待信号量的协程。
我们看到Mutex.state是32位的整型变量，内部实现时把该变量分成四份，用于记录Mutex的四种状态。
下图展示Mutex的内存布局：
Locked: 表示该Mutex是否已被锁定，0：没有锁定 1：已被锁定。
Woken: 表示是否有协程已被唤醒，0：没有协程唤醒 1：已有协程唤醒，正在加锁过程中
Starving：表示该Mutex是否处理饥饿状态， 0：没有饥饿1：饥饿状态，说明有协程阻塞了超过1ms
Waiter: 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。

协程之间抢锁实际上是抢给Locked赋值的权利，能给Locked域置1，就说明抢锁成功。抢不到的话就阻塞等待Mutex.sema信号量，一旦持有锁的协程解锁，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，后面再进行了解。

2.2 Mutex方法

Mutext对外提供两个方法，实际上也只有这两个方法：

Lock() : 加锁方法
Unlock(): 解锁方法

下面我们分析一下加锁和解锁的过程，加锁分成功和失败两种情况，成功的话直接获取锁，失败后当前协程被阻塞，同样，解锁时跟据是否有阻塞协程也有两种处理。

3. 加解锁过程

3.1 简单加锁

假定当前只有一个协程在加锁，没有其他协程干扰，那么过程如下图所示：

加锁过程会去判断Locked标志位是否为0，如果是0则把Locked位置1，代表加锁成功。从上图可见，加锁成功后，只是Locked位置1，其他状态位没发生变化。

3.2 加锁被阻塞

假定加锁时，锁已被其他协程占用了，此时加锁过程如下图所示：

从上图可看到，当协程B对一个已被占用的锁再次加锁时，Waiter计数器增加了1，此时协程B将被阻塞，直到Locked值变为0后才会被唤醒。

3.3 简单解锁

假定解锁时，没有其他协程阻塞，此时解锁过程如下图所示：

由于没有其他协程阻塞等待加锁，所以此时解锁时只需要把Locked位置为0即可，不需要释放信号量。

3.4 解锁并唤醒协程

假定解锁时，有1个或多个协程阻塞，此时解锁过程如下图所示：

协程A解锁过程分为两个步骤，一是把Locked位置0，二是查看到Waiter>0，所以释放一个信号量，唤醒一个阻塞的协程，被唤醒的协程B把Locked位置1，于是协程B获得锁。

4. 自旋过程

加锁时，如果当前Locked位为1，说明该锁当前由其他协程持有，尝试加锁的协程并不是马上转入阻塞，而是会持续的探测Locked位是否变为0，这个过程即为自旋过程。

自旋时间很短，但如果在自旋过程中发现锁已被释放，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，这样可以避免协程的切换。

4.1 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CPU空转，对程序而言相当于sleep了一小段时间，时间非常短，当前实现是30个时钟周期。

自旋过程中会持续探测Locked是否变为0，连续两次探测间隔就是执行这些PAUSE指令，它不同于sleep，不需要将协程转为睡眠状态。

4.2 自旋条件

加锁时程序会自动判断是否可以自旋，无限制的自旋将会给CPU带来巨大压力，所以判断是否可以自旋就很重要了。

自旋必须满足以下所有条件：

自旋次数要足够小，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Process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，总而言之就是不忙的时候才会启用自旋。

4.3 自旋的优势

自旋的优势是更充分的利用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，当前协程可以继续运行，不必进入阻塞状态。

4.4 自旋的问题

如果自旋过程中获得锁，那么之前被阻塞的协程将无法获得锁，如果加锁的协程特别多，每次都通过自旋获得锁，那么之前被阻塞的进程将很难获得锁，从而进入饥饿状态。

为了避免协程长时间无法获取锁，自1.8版本以来增加了一个状态，即Mutex的Starving状态。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。

5. Mutex模式

前面分析加锁和解锁过程中只关注了Waiter和Locked位的变化，现在我们看一下Starving位的作用。

每个Mutex都有两个模式，称为Normal和Starving。下面分别说明这两个模式。

5.1 normal模式

默认情况下，Mutex的模式为normal。

该模式下，协程如果加锁不成功不会立即转入阻塞排队，而是判断是否满足自旋的条件，如果满足则会启动自旋过程，尝试抢锁。

5.2 starvation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，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的话，会将Mutex标记为"饥饿"模式，然后再阻塞。

处于饥饿模式下，不会启动自旋过程，也即一旦有协程释放了锁，那么一定会唤醒协程，被唤醒的协程将会成功获取锁，同时也会把等待计数减1。