golang中的Mutex原理解析

Mutex结构

type Mutex struct {
    
	state int32
	sema  uint32
}

state表示互斥锁的状态。

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。

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。

• 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是否处于饥饿状态， 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。

在阅读源码的时候，你会发现各种位运算逻辑运算实在不太好阅读，为什么不使用四个独立的字段来表示呢，实际上这样是为了原子操作，试想一下，如何能保证原子性的同时更新这四个字段呢？所以，把他们合成到一个字段并配合atomic就能解决这个问题。

Mutex的方法

Mutext对外提供两个方法：

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，解锁时根据是否有阻塞协程也有两种处理。

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。

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。

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。

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。

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spin。

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。

自旋操作，会调用procyield函数，该函数也是汇编语言实现。函数内部循环调用PAUSE指令。PAUSE指令什么都不做，但是会消耗CPU时间，因此不会让出CPU。

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上下文切换。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Woken状态

Woken状态用于加锁和解锁过程的通信，举个例子，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了，好比在说：你只管解锁好了，不必释放信号量，我马上就拿到锁了。

为什么重复解锁要panic

可能你会想，为什么Go不能实现得更健壮些，多次执行Unlock()也不要panic？

仔细想想Unlock的逻辑就可以理解，这实际上很难做到。Unlock过程分为将Locked置为0，然后判断Waiter值，如果值>0，则释放信号量。

如果多次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。

总结一下

源代码看起来挺不好阅读的，位运算逻辑运算，主要是为了实现atomic操作，Mutex最核心的逻辑其实就是信号量的PV操作，而state 的四个状态就是为了优化用的。

在m.lockSlow()和 m.unlockSlow()之前都有一个状态修改的操作，这个是为了防止重复释放信号量的，因为释放信号量并不会被阻塞，而重复释放信号量会破坏mutex的逻辑。可以参考 https://www.cnblogs.com/niniwzw/p/3153955.html

源代码中，借助了原子操作atomic来实现Mutex，那是因为atomic是由硬件提供的支持（CPU指令），粒度更小，性能更高，而信号量是由操作系统提供的。

关于信号量

我们知道信号量，是操作系统提供的，用来实现互斥锁和线程同步的，粒度为线程级别的，而golang的Mutex是协程级别的，显然无法直接使用操作系统信号量的，因此这里面还需要配合golang的协程调度模型GMP来进一步理解。