前言

互斥鎖是在并發(fā)程序中對共享資源進(jìn)行訪問控制的主要手段。對此 Go 語言提供了簡單易用的?Mutex。Mutex 和 Goroutine 合作緊密，概念容易混淆，一定注意要區(qū)分各自的概念。

Mutex?是一個結(jié)構(gòu)體，對外提供?Lock()和Unlock()兩個方法，分別用來加鎖和解鎖。

// 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 是一個互斥鎖，其零值對應(yīng)了未上鎖的狀態(tài)，不能被拷貝；
• state 代表互斥鎖的狀態(tài)，比如是否被鎖定；
• sema 表示信號量，協(xié)程阻塞會等待該信號量，解鎖的協(xié)程釋放信號量從而喚醒等待信號量的協(xié)程。

注意到 state 是一個 int32 變量，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)時把該變量分成四份，用于記錄 Mutex 的狀態(tài)。

• Locked: 表示該 Mutex 是否已經(jīng)被鎖定，0表示沒有鎖定，1表示已經(jīng)被鎖定；
• Woken: 表示是否有協(xié)程已經(jīng)被喚醒，0表示沒有協(xié)程喚醒，1表示已經(jīng)有協(xié)程喚醒，正在加鎖過程中；
• Starving: 表示該 Mutex 是否處于饑餓狀態(tài)，0表示沒有饑餓，1表示饑餓狀態(tài)，說明有協(xié)程阻塞了超過1ms；

上面三個表示了 Mutex 的三個狀態(tài)：鎖定 - 喚醒 - 饑餓。

Waiter 信息雖然也存在 state 中，其實(shí)并不代表狀態(tài)。它表示阻塞等待鎖的協(xié)程個數(shù)，協(xié)程解鎖時根據(jù)此值來判斷是否需要釋放信號量。

協(xié)程之間的搶鎖，實(shí)際上爭搶給Locked賦值的權(quán)利，能給?Locked?置為1，就說明搶鎖成功。搶不到就阻塞等待?sema?信號量，一旦持有鎖的協(xié)程解鎖，那么等待的協(xié)程會依次被喚醒。

Woken?和?Starving?主要用于控制協(xié)程間的搶鎖過程。

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()
}

若當(dāng)前鎖已經(jīng)被使用，請求 Lock() 的 goroutine 會阻塞，直到鎖可用為止。

單協(xié)程加鎖

若只有一個協(xié)程加鎖，無其他協(xié)程干擾，在加鎖過程中會判斷?Locked?標(biāo)志位是否為 0，若當(dāng)前為 0 則置為 1，代表加鎖成功。這里本質(zhì)是一個 CAS 操作，依賴了?atomic.CompareAndSwapInt32。

加鎖被阻塞

假設(shè)協(xié)程B在嘗試加鎖前，已經(jīng)有一個協(xié)程A獲取到了鎖，此時的狀態(tài)為：

此時協(xié)程B嘗試加鎖，被阻塞，Mutex 的狀態(tài)為：

Waiter 計數(shù)器增加了1，協(xié)程B將會持續(xù)阻塞，直到?Locked?值變成0 后才會被喚醒。

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 沒有被加鎖，就直接?Unlock?，會拋出一個 runtime error。

從源碼注釋來看，一個 Mutex 并不會與某個特定的 goroutine 綁定，理論上講用一個 goroutine 加鎖，另一個 goroutine 解鎖也是允許的，不過為了代碼可維護(hù)性，一般還是建議不要這么搞。

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.

無協(xié)程阻塞下的解鎖

假定在解鎖時，沒有其他協(xié)程阻塞等待加鎖，那么只需要將?Locked?置為 0 即可，不需要釋放信號量。

解鎖并喚醒協(xié)程

假定解鎖時有1個或多個協(xié)程阻塞，解鎖過程分為兩個步驟：

• 將Locked位置0；
• 看到?Waiter?> 0，釋放一個信號量，喚醒一個阻塞的協(xié)程，被喚醒的協(xié)程把?Locked?置為1，獲取到鎖。

自旋

加鎖時，如果當(dāng)前?Locked?位為1，則說明當(dāng)前該鎖由其他協(xié)程持有，嘗試加鎖的協(xié)程并不是馬上轉(zhuǎn)入阻塞，而是會持續(xù)探測?Locked?位是否變?yōu)?，這個過程就是「自旋」。

自旋的時間很短，如果在自旋過程中發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被釋放，那么協(xié)程可以立即獲取鎖。此時即便有協(xié)程被喚醒，也無法獲取鎖，只能再次阻塞。

自旋的好處是，當(dāng)加鎖失敗時不必立即轉(zhuǎn)入阻塞，有一定機(jī)會獲取到鎖，這樣可以避免一部分協(xié)程的切換。

什么是自旋

自旋對應(yīng)于 CPU 的?PAUSE?指令，CPU 對該指令什么都不做，相當(dāng)于空轉(zhuǎn)。對程序而言相當(dāng)于sleep了很小一段時間，大概 30個時鐘周期。連續(xù)兩次探測Locked?位的間隔就是在執(zhí)行這些?PAUSE?指令，它不同于sleep，不需要將協(xié)程轉(zhuǎn)為睡眠態(tài)。

自旋條件

加鎖時 Golang 的 runtime 會自動判斷是否可以自旋，無限制的自旋將給 CPU 帶來巨大壓力，自旋必須滿足以下所有條件：

• 自旋次數(shù)要足夠少，通常為 4，即自旋最多 4 次；
• CPU 核數(shù)要大于 1，否則自旋沒有意義，因?yàn)榇藭r不可能有其他協(xié)程釋放鎖；
• 協(xié)程調(diào)度機(jī)制中的 P 的數(shù)量要大于 1，比如使用?GOMAXPROCS()?將處理器設(shè)置為 1 就不能啟用自旋；
• 協(xié)程調(diào)度機(jī)制中的可運(yùn)行隊(duì)列必須為空，否則會延遲協(xié)程調(diào)度。

可見自旋的條件是很苛刻的，簡單說就是不忙的時候才會啟用自旋。

自旋的優(yōu)勢

自旋的優(yōu)勢是更充分地利用 CPU，盡量避免協(xié)程切換。因?yàn)楫?dāng)前申請加鎖的協(xié)程擁有 CPU，如果經(jīng)過短時間的自旋可以獲得鎖，則當(dāng)前寫成可以繼續(xù)運(yùn)行，不必進(jìn)入阻塞狀態(tài)。

自旋的問題

如果在自旋過程中獲得鎖，那么之前被阻塞的協(xié)程就無法獲得。如果加鎖的協(xié)程特別多，每次都通過自旋獲取鎖，則之前被阻塞的協(xié)程將很難獲取鎖，從而進(jìn)入【饑餓狀態(tài)】。

為此，Golang 1.8 版本后為Mutex增加了Starving模式，在這個狀態(tài)下不會自旋，一旦有協(xié)程釋放鎖。那么一定會喚醒一個協(xié)程并成功加鎖。

Mutex 的模式

每個 Mutex 都有兩種模式：Normal,?Starving。

Normal 模式

默認(rèn)情況下的模式就是 Normal。 在該模式下，協(xié)程如果加鎖不成功，不會立即轉(zhuǎn)入阻塞排隊(duì)（先進(jìn)先出），而是判斷是否滿足自旋條件，如果滿足則會啟動自旋過程，嘗試搶鎖。

Starving 模式

自旋過程中能搶到鎖，一定意味著同一時刻有協(xié)程釋放了鎖。我們知道釋放鎖時，如果發(fā)現(xiàn)有阻塞等待的協(xié)程，那么還會釋放一個信號量來喚醒一個等待協(xié)程，被喚醒的協(xié)程得到 CPU 后開始運(yùn)行，此時發(fā)現(xiàn)鎖已經(jīng)被搶占了，自己只好再次阻塞，不過阻塞前會判斷，自上次阻塞到本次阻塞經(jīng)過了多長時間，如果超過 1ms，則會將 Mutex 標(biāo)記為?Starving模式，然后阻塞。

在Starving模式下，不會啟動自旋過程，一旦有協(xié)程釋放了鎖，一定會喚醒協(xié)程，被喚醒的協(xié)程將成功獲取鎖，同時會把等待計數(shù)減 1。

Woken 狀態(tài)

Woken 狀態(tài)用于加鎖和解鎖過程中的通信。比如，同一時刻，兩個協(xié)程一個在加鎖，一個在解鎖，在加鎖的協(xié)程可能在自旋過程中，此時把 Woken 標(biāo)記為 1，用于通知解鎖協(xié)程不必釋放信號量，類似知會一下對方，不用釋放了，我馬上就拿到鎖了。