Go-知识并发控制mutex

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1. 介绍

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，Go 语言提供了非常简单易用的 Mutex。
Mutex 是结构体类型，对外暴露了 Lock 和 Unlock 两个方法，用于加锁和解锁。

2. 数据结构

2.1 Mutex 结构体

在源码包 src/sync/mutex.go中定义了互斥锁的数据结构：

Mutex.state 表示互斥锁的状态，比如是否被锁定等等
Mutex.sema 表示信号量，协程阻塞等待该信号量，解锁的写成释放信号量，从而唤醒等待信号量的协程

其中 Mutex.state 是 32 位的整型变量，内部实现时，把该变量分成四部分，用于记录 Mutex 的四种状态。

• Locked: 表示该 Mutex 是否已被锁定，0表示没有锁定，1表示已被锁定.
• Woken: 表示是否有协程已被唤醒，0表示没有协程唤醒，1表示已有协程唤醒，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，说明有协程阻塞超过了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。

协程之间的抢锁实际上是抢给 Locked 赋值的权利，能给 Locked 赋值 1，就说明抢锁成功。
抢不到就阻塞等待 Mutex.sema 信号量，一旦持有锁的协程解锁，等待的协程就会依次被唤醒。

2.2 Mutex 方法

Mutex 对外提供的方法主要是加锁和解锁：

• Lock(): 加锁
• Unlock(): 解锁
• TryLock(): 非阻塞的方式尝试加锁(Go 1.18 引入)

3. 加锁解锁过程

3.1 简单加锁

假设当前只有一个协程在加锁，没有其他协程干扰：

加锁过程中会判断 Locked 的标志位是否为0，如果是0则把 Locked 位置为1，代表大锁成功。
如上图所示，加锁成功后，只有 Locked 位置为1，其他位置都没变。

func (m *Mutex) Lock() {// 快速尝试，使用 cas 进行加锁，如果 state 等于 0 表示无锁if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {return}// 否则就需要慢加锁了m.lockSlow()
}

func (m *Mutex) lockSlow() {// 等待开始时间var waitStartime int64// 是否饥饿starving := false// 是否有协程被唤醒awoke := falseiter := 0// 获取 state 值old := m.state// 死循环for {// old & mutexLocked 表示取出 Locked 位// old & mutexStarving 表示取出 Starving 位// old & (mutexLocked | mutexStarving) 表示取出 Locked 或 starving 位// 所以 old & (mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked 表示 Locked 或 Starving 等于 1。// 要么有锁，要么饥饿// 并且当前 goroutine 可以进行自旋if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {// 没有饥饿 而且 没有协程被唤醒 并且 Waiter 等待的协程不为空// 尝试使用 CAS 设置 Worken 值，表示有 goroutine 被唤醒了，在自旋等待锁if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {// 是否有协程被唤醒标志置为 true awoke = true}// 自旋 ，我认为可以理解为 continue ..runtime_doSpin()// 自旋次数加1iter++// 重新获取最新的 state 值old = m.state// 自旋continue}// 重新获取 statenew := old// 没有饥饿if old&mutexStarving == 0 {// 新值设置为加锁了new |= mutexLocked}// 如果存在饥饿或者有锁if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {// Waiter 数量增加 1 // 1<<mutexWaiterShift 表示将1左移3位，1000// new += 1000 表示将 Waiter + 1new += 1 << mutexWaiterShift}// 饥饿 并且 有锁if starving && old&mutexLocked != 0 {// new 设置 Starving 位为1new |= mutexStarving}// 如果有唤醒的协程if awoke {// 如果新值的 Woken 为 0 if new&mutexWoken == 0 {// 当前协程就是唤醒的协程throw("sync: inconsistent mutex state")}// 异或运算 将 Woken 位清除new &^= mutexWoken}// 设置有锁，设置没有唤醒的协程，保留饥饿，Waiter + 1// 放弃自旋，放弃唤醒，进入阻塞并等待if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {// 如果既没有锁，而且也没有饥饿，表示拿到了锁if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {// 自旋获得了锁break // 用CAS锁定了互斥对象}// 等待时间不为0，表示之前就在等待中queueLifo := waitStartTime != 0if waitStartTime == 0 {// 如果等待时间为0，表示第一次等待waitStartTime = runtime_nanotime()}// 根据等待时间，将当前 goroutine 放到队列头或者尾runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)// 设置是否饥饿// 如果原来就饥饿，那么依然饥饿// 或者等待时间超过限制，那么也是饥饿starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs// 重新获取 state old = m.state// 如果存在饥饿if old&mutexStarving != 0 {// 有锁 或 有唤醒的协程 或者// 没有等待的协程if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {// 不能即处于饥饿，有存在唤醒，还没有锁// 不能没有等待的协程，又处于饥饿状态throw("sync: inconsistent mutex state")}// 表示 1 减去 1000 = -7 delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)// 如果不是饥饿模式 或者 Waiter 等于 1if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {// -7 减去 -4 ,移除饥饿模式delta -= mutexStarving}// 更新 state// 防止自旋死锁atomic.AddInt32(&m.state, delta)break}awoke = trueiter = 0} else {old = m.state}}
}

3.2 加锁被阻塞

假设加锁时，锁已经被其他协程占用了：

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

3.3 简单解锁

假设解锁时，没有其他协程阻塞：

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。

func (m *Mutex) Unlock() {// 使用 CAS 快速解锁new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)// 如果 CAS 解锁失败，那么尝试慢解锁if new != 0 {m.unlockSlow(new)}
}

func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {// 如果 无锁 new 最低位 1，因为在 Unlock 中已经减去 1 了 ，1+1 = 10 ， 0 & 1 = 0 ， 0 == 0 // 如果 有锁 new 最低位 0，0+1 = 1, 1 & 1 = 1, 1 == 0// 所以，无锁异常，有锁继续 if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {throw("sync: unlock of unlocked mutex")}// 如果没有饥饿if new&mutexStarving == 0 {// 临时赋值old := newfor {// Waiter 等于 0 ，没有等待的协程 或// 处于 饥饿，有锁，有唤醒 ，结束if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {return}// Waiter 减 1，并且 保留唤醒状态new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken// 尝试使用 CAS 将 Waiter 减 1 ，同时设置无锁if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {// 释放 1 个信号量runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)return}old = m.state}} else {// 如果处理饥饿模式，直接唤醒协程，释放信号量runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)}
}

3.4 解锁并唤醒协程

假设解锁时，有一个或多个协程阻塞：

协程A解锁过程分为两个步骤，一是把 Locked 位置为0，二是看到 Waiter > 0 ，释放1个信号量，唤醒一个阻塞的协程，被唤醒的协程 B 把 Locked 位置为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，则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 ，这个过程称为自旋过程。
自旋时间很短，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 ，连续两次探测奸恶就是在执行这些 PAUSE 指令，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。
自旋必须满足一下所有条件：

• 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 GOMAXPROCESS() 将处理器设置为1就不能启动自旋
• 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。

简单来说就是 不忙 的时候才会启动自旋

4.3 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，则蒋倩协程可以继续运行，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，那么之前被阻塞的协程将很难获得锁，从而进入 Starving 状态。
为了避免协程长时间无法获取锁，自 1.8 版本依赖增加了一个状态， Starving 。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。

5. Mutex 模式

每个 Mutex 都有两个模式，Normal 和 Starving 。

5.1 Normal 模式

默认情况下，Mutex 的模式是 Normal。
在Normal模式下，如果协程加锁不成功不会立即转为阻塞排队，而是判断是否满足自旋的条件，如果满足则会启动自旋，尝试抢锁。

5.2 Starving 模式(饥饿模式)

自旋过程中能抢到锁，一定意味着同一时间有协程释放了锁。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，只能再次阻塞。阻塞钱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，即一旦有协程释放了锁，那么一定会唤醒协程，被唤醒的协程将乘公共获取锁，同时会把等待计数减1.

6. Woken 状态

Woken 状态用与加锁和解锁过程的通信。
比如同一个时刻，两个协程一个在加锁，另一个在解锁，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。
存在唤醒中的协程，不需要信号量唤醒。

7. 重复解锁引发 panic

如果 Mutex 处于无锁状态，执行 Unlock 会触发 panic。
Unlock 的逻辑分为两个过程： 将 Locked 置为 0 ；判断 Waiter 数量，Waiter > 0，释放一个信号量。
如果多次执行Unlock，那么可能每次都释放一个信号量，这样会唤醒多个协程，多个协程被唤醒后继续在 Lock 的逻辑中抢锁，就需要在 Lock 的逻辑中增加更多场景，
并且引发更多的协程切换。

8. 总结

在使用 Mutex 的时候，使用 defer 避免死锁。加锁后立即使用 defer 解锁，可以有效避免死锁。
加锁和解锁应该成对出现，最好是出现在同一个层次的代码块中，否则很容易引发因重复解锁导致的panic 。

(Java允许重复 release)