图解Go里面的mutex了解编程语言核心源码实现

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2020-6-22


1. 锁的基础概念

1.1 CAS与轮询

1.1.1 cas实现锁

在锁的实现中现在越来越多的采用CAS来进行,通过利用处理器的CAS指令来实现对给定变量的值交换来进行锁的获取

1.1.2 轮询锁

在多线程并发的情况下很有可能会有线程CAS失败,通常就会配合for循环采用轮询的方式去尝试重新获取锁

1.2 锁的公平性

锁从公平性上通常会分为公平锁和非公平锁,主要取决于在锁获取的过程中,先进行锁获取的线程是否比后续的线程更先获得锁,如果是则就是公平锁:多个线程按照获取锁的顺序依次获得锁,否则就是非公平性

1.3 饥饿与排队

1.3.1 锁饥饿

锁饥饿是指因为大量线程都同时进行获取锁,某些线程可能在锁的CAS过程中一直失败,从而长时间获取不到锁

1.3.2 排队机制

上面提到了CAS和轮询锁进行锁获取的方式,可以发现如果已经有线程获取了锁,但是在当前线程在多次轮询获取锁失败的时候,就没有必要再继续进行反复尝试浪费系统资源,通常就会采用一种排队机制,来进行排队等待

1.4 位计数

在大多数编程语言中针对实现基于CAS的锁的时候,通常都会采用一个32位的整数来进行锁状态的存储

2. mutex实现

2.1 成员变量与模式

2.1.1 成员变量

在go的mutex中核心成员变量只有两个state和sema,其通过state来进行锁的计数,而通过sema来实现排队

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

2.1.2 锁模式

锁模式主要分为两种

描述 公平性
正常模式 正常模式下所有的goroutine按照FIFO的顺序进行锁获取,被唤醒的goroutine和新请求锁的goroutine同时进行锁获取,通常新请求锁的goroutine更容易获取锁
饥饿模式 饥饿模式所有尝试获取锁的goroutine进行等待排队,新请求锁的goroutine不会进行锁获取,而是加入队列尾部等待获取锁

上面可以看到其实在正常模式下,其实锁的性能是最高的如果多个goroutine进行锁获取后立马进行释放则可以避免多个线程的排队消耗 同理在切换到饥饿模式后,在进行锁获取的时候,如果满足一定的条件也会切换回正常模式,从而保证锁的高性能

2.2 锁计数

2.2.1 锁状态

在mutex中锁有三个标志位,其中其二进制位分别位001(mutexLocked)、010(mutexWoken)、100(mutexStarving), 注意这三者并不是互斥的关系,比如一个锁的状态可能是锁定的饥饿模式并且已经被唤醒

	mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
	mutexWoken
	mutexStarving

2.2.2 等待计数

mutex中通过低3位存储了当前mutex的三种状态,剩下的29位全部用来存储尝试正在等待获取锁的goroutine的数量

	mutexWaiterShift = iota // 3

2.3唤醒机制

2.3.1 唤醒标志

唤醒标志其实就是上面说的第二位,唤醒标志主要用于标识当前尝试获取goroutine是否有正在处于唤醒状态的,记得上面公平模式下,当前正在cpu上运行的goroutine可能会先获取到锁

2.3.2 唤醒流程

当释放锁的时候,如果当前有goroutine正在唤醒状态,则只需要修改锁状态为释放锁,则处于woken状态的goroutine就可以直接获取锁,否则则需要唤醒一个goroutine, 并且等待这个goroutine修改state状态为mutexWoken,才退出

2.4 加锁流程

2.3.1 快速模式

如果当前没有goroutine加锁,则并且直接进行CAS成功,则直接获取锁成功

		// Fast path: grab unlocked mutex.
	if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
		if race.Enabled {
			race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
		}
		return
	}

2.3.2 自旋与唤醒

	// 注意这里其实包含两个信息一个是如果当前已经是锁定状态,然后允许自旋iter主要是计数次数实际上只允许自旋4次
	// 其实就是在自旋然后等待别人释放锁,如果有人释放锁,则会立刻进行下面的尝试获取锁的逻辑	
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
			// !awoke 如果当前线程不处于唤醒状态
			// old&mutexWoken == 0如果当前没有其他正在唤醒的节点,就将当前节点处于唤醒的状态
			// old>>mutexWaiterShift != 0 :右移3位,如果不位0,则表明当前有正在等待的goroutine
			// atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken)设置当前状态为唤醒状态
			if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
				atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
				awoke = true
			}
			// 尝试自旋,
			runtime_doSpin()
			// 自旋计数
			iter++
        // 从新获取状态
			old = m.state
			continue
		}

2.3.3 更改锁状态

流程走到这里会有两种可能: 1.锁状态当前已经不是锁定状态 2.自旋超过指定的次数,不再允许自旋了

		new := old
		if old&mutexStarving == 0 {
			// 如果当前不是饥饿模式,则这里其实就可以尝试进行锁的获取了|=其实就是将锁的那个bit位设为1表示锁定状态
			new |= mutexLocked
		}
		if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
			// 如果当前被锁定或者处于饥饿模式,则增等待一个等待计数
			new += 1 << mutexWaiterShift
		}
		if starving && old&mutexLocked != 0 {
			// 如果当前已经处于饥饿状态,并且当前锁还是被占用,则尝试进行饥饿模式的切换
			new |= mutexStarving
		}
		if awoke {
			if new&mutexWoken == 0 {
				throw("sync: inconsistent mutex state")
			}
			// awoke为true则表明当前线程在上面自旋的时候,修改mutexWoken状态成功
			// 清除唤醒标志位
            // 为什么要清除标志位呢?
            // 实际上是因为后续流程很有可能当前线程会被挂起,就需要等待其他释放锁的goroutine来唤醒
            // 但如果unlock的时候发现mutexWoken的位置不是0,则就不会去唤醒,则该线程就无法再醒来加锁
			new &^= mutexWoken
		}

2.3.3 加锁排队与状态转换

再加锁的时候实际上只会有一个goroutine加锁CAS成功,而其他线程则需要重新获取状态,进行上面的自旋与唤醒状态的重新计算,从而再次CAS

		if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
			if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
				// 如果原来的状态等于0则表明当前已经释放了锁并且也不处于饥饿模式下
                // 实际的二进制位可能是这样的 1111000, 后面三位全是0,只有记录等待goroutine的计数器可能会不为0
                // 那就表明其实
				break // locked the mutex with CAS
			}
			// 排队逻辑,如果发现waitStatrTime不为0,则表明当前线程之前已经再排队来,后面可能因为
            // unlock被唤醒,但是本次依旧没获取到锁,所以就将它移动到等待队列的头部
			queueLifo := waitStartTime != 0
			if waitStartTime == 0 {
				waitStartTime = runtime_nanotime()
			}
            // 这里就会进行排队等待其他节点进行唤醒
			runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo)
			// 如果等待超过指定时间,则切换为饥饿模式 starving=true
            // 如果一个线程之前不是饥饿状态,并且也没超过starvationThresholdNs,则starving为false
            // 就会触发下面的状态切换
			starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
			// 重新获取状态
            old = m.state
			if old&mutexStarving != 0 { 
                // 如果发现当前已经是饥饿模式,注意饥饿模式唤醒的是第一个goroutine
                // 当前所有的goroutine都在排队等待
			// 一致性检查,
				if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
					throw("sync: inconsistent mutex state")
				}
				// 获取当前的模式
				delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
				if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
					// 如果当前goroutine不是饥饿状态,就从饥饿模式切换会正常模式
                    // 就从mutexStarving状态切换出去
					delta -= mutexStarving
				}
                // 最后进行cas操作
				atomic.AddInt32(&m.state, delta)
				break
			}
            // 重置计数
			awoke = true
			iter = 0
		} else {
			old = m.state
		}

2.5 释放锁逻辑

2.5.1 释放锁代码

func (m *Mutex) Unlock() {
	if race.Enabled {
		_ = m.state
		race.Release(unsafe.Pointer(m))
	}

	// 直接进行cas操作
	new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
	if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
		throw("sync: unlock of unlocked mutex")
	}
	if new&mutexStarving == 0 {
		// 如果释放锁并且不是饥饿模式
		old := new
		for {

			if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
				// 如果已经有等待者并且已经被唤醒,就直接返回
				return
			}
			// 减去一个等待计数,然后将当前模式切换成mutexWoken
			new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
			if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
				// 唤醒一个goroutine
				runtime_Semrelease(&m.sema, false)
				return
			}
			old = m.state
		}
	} else {
		// 唤醒等待的线程
		runtime_Semrelease(&m.sema, true)
	}
}

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作者:8小时