go 互斥锁实现原理

时间：2021-09-02 03:08:52

go 互斥锁的实现

go中通过mutex来实现对互斥资源的锁定

1. mutex的数据结构

1.1 mutex结构体,抢锁解锁原理

go type Mutex struce{ state int32 sema uint32 }
  • state表示互斥锁的状态，比如是否被锁定
  • sema表示信号量，协程阻塞等待该信号量来唤醒协程，解锁的协程释放该信号量来唤醒阻塞的协程

下图展示了mutex的内存布局

go 互斥锁实现原理

  • Locked:表示mutex是否已经锁定。1：锁定。 0：没有锁定
  • 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
  • Starving:表示该mutex是否处于饥饿状态。0：没有饥饿。1：饥饿，表示有协程已经阻塞超过1ms
  • Woken:表示是否有协程已被唤醒，0：没有协程唤醒。1：有协程唤醒，正在加锁过程中

协程之间抢锁的过程实际上是给Locked赋值1的过程，能给Locked赋值为1，表示抢锁成功，抢不到锁就阻塞等待sema信号量来唤醒加锁

1.2 mutex方法

Mutex对外提供两个方法

  • Lock()：加锁方法
  • Unlock()：解锁方法

2. 加解锁过程

2.1 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，加锁过程如下

go 互斥锁实现原理

加锁过程会去判断Locked是否为1，如果是0则把Locked置为1，表示加锁成功，其他状态位不会发生变化

2.2 加锁被阻塞

假定加锁时，锁被其他协程占用，那么加锁过程如下：

go 互斥锁实现原理

如果协程对一个已经被占用的协程加锁时，Waiter计数器会增加1，此时B将会阻塞，直到Locked变为0后才会唤醒

2.3 简单解锁

假定解锁时，没有其他协程阻塞，那么解锁过程如下

go 互斥锁实现原理

由于此时watier值为0，表示没有其他协程在等待，所以无须释放信号量，只要把Locked置为0即可

2.4 解锁并释放协程

假定解锁过程，有1个或多个协程阻塞，那么此时的解锁过程

go 互斥锁实现原理

协程A解锁分为两个步骤

  1. 将Locked置为0
  2. 释放sema信号量，唤醒协程B，并将waiter减1

此时Locked为0，协程B收到信号量，将Locked置为1，B获得锁

3. 自旋过程

​ 加锁时，如果当前Locked位为1， 说明该锁被其他协程占用，但尝试加锁的协程并不会马上转为阻塞状态，而是会持续的检测Locked位是否为0，这个过程称为自旋。

自旋的过程很短，如果在自旋过程中发现锁被释放，那么该协程会立即获得锁，被唤醒的协程会继续阻塞

自旋的好处是，当加锁失败时，不必立即转入阻塞，有一定机会获得锁，避免了协程之间的切换

3.1 什么是自旋

​ 自旋对应CPU指令"PAUSE"(暂停，停顿)，CPU对该指令什么都不做，相当于CPU空转，对程序而要相当于sleep了一段时间，该时间非常短，当前为30个时钟周期

自旋过程会持续检测Locked是否为0，它不同于sleep，不需要协程转为睡眠状态

3.2 自旋条件

  • 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

3.3 自旋的优势

自旋的优势是更充分的利用了CPU，避免了协程切换。因为当前申请加锁的协程获得了CPU，如果通过短时间自旋就可以获得锁，那么就可以直接运行，而不用阻塞并切换协程

3.4 自旋的问题

如果自旋过程中获得了锁，那么之前阻塞的协程就无法获得锁。如果等待加锁的协程特别多，而都在自旋过程中获得了锁，那么之前阻塞的协程就将一直阻塞。

为了解决这个问题，在1.8的版本之后增加了一个状态Starving。在这个状态下不会自旋，一定会有一个协程被唤醒并加锁

4. Mutex模式

现在我们看下Starving位的作用

每个Mutex都有两个模式，称为normal和Starving。

4.1 Normal模式

默认情况下都是Normal模式

当一个协程加锁失败时，不会立即转入等待状态，而是判断是否满足自旋条件，如果满足，则自旋来等待锁

4.2 Starving模式

自旋模式抢到锁，表示有协程释放了锁，我们知道释放锁时，如果waiter>0，即有阻塞等待的协程，会释放信号量来唤醒协程，当协程被唤醒后，发现Locked=1，锁又被抢占，则又会阻塞，但在阻塞前会判断自上次阻塞到本次阻塞经历了多长时间，如果超过1ms的话，会将Mutex标记为"饥饿"模式，然后再阻塞

在饥饿模式下，不会启动自旋，如果有协程释放锁，那么一定会唤醒一个协程，被唤醒的协程会获得锁，同时会把waiter减1.

5. Woken状态

Woken状态作用于加锁和解锁的过程中，如果一个协程正在解锁，另一个协程在自旋等待加锁，那么会把Woken状态置为1，通知解锁的协程不用释放信号量。

6. 为什么重复解锁要panic

unlock()过程分为将locked置为0，然后判断waiter是否大于0，如果大于0就释放信号量

如果多次unlock()，则可能会唤醒多个协程，多个协程唤醒后会继续在Lock()的逻辑里抢锁，势必会增加Lock()实现的复杂度，也会引起不必要的协程切换。

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