一文带你了解Go语言中锁特性和实现_Golang

锁底层

go中的sync包提供了两种锁的类型，分别是互斥锁sync.mutex和读写锁sync.rwmutex，这两种锁都属于悲观锁

锁的使用场景是解决多协程下数据竞态的问题，为了保证数据的安全，锁住一些共享资源。以防止并发访问这些共享数据时可能导致的数据不一致问题，获取锁的线程可以正常访问临界区，未获取到锁的线程等待锁释放之后可以尝试获取锁

注：当你想让一个结构体是并发安全的，可以加一个锁字段，比如channel就是这么做的，要注意的是，这个锁字段必须小写，不然调用方也可以进行lock和unlock操作，相当于你把钥匙和锁都交给了别人，锁就失去了应有的作用

mutex

提供了三个方法

lock() 进行加锁操作，在同一个goroutine中必须在锁释放之后才能进行再次上锁，不然会panic
unlock() 进行解锁操作，如果这个时候未加锁会panic，mutex和goroutine不关联，也就是说对于mutex的加锁解锁操作可以发生在多个goroutine间
trylock() 尝试获取锁，当锁被其他goroutine占有，或者锁处于饥饿模式，将立刻返回false，当锁可用时尝试获取锁，获取失败也返回false

实现如下

type mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

mutex只有两个字段

state 表示当前互斥锁的状态，复合型字段
sema 信号量变量，用来控制等待goroutine的阻塞休眠和唤醒

state的不同位标识了不同的状态，以此实现了用最小的内存来表示更多的意义

// 前三个字段标识了锁的状态  剩下的位来标识当前共有多少个goroutine在等待锁
const (
   mutexlocked = 1 << iota // 表示互斥锁的锁定状态
   mutexwoken // 表示从正常模式被从唤醒
   mutexstarving // 当前的互斥锁进入饥饿状态
   mutexwaitershift = iota // 当前互斥锁上等待者的数量
)

mutex的最开始实现只有正常模式，在正常模式下等待的线程按照先进先出的方式获取锁，但是新创建的goroutine会与刚被唤醒的goroutine竞争，导致刚被唤起的goroutine拿不到锁，从而长期被阻塞。

因此go在1.9版本中引入了饥饿模式，当goroutine超过1ms没有获取锁，那么就将当前的互斥锁切换到饥饿模式，在该模式下，互斥锁会直接交给等待队列最前面的g，新的g在该状态下既不能获取锁，也不会进入自旋状态，只会在队列的末尾等待。如果一个g获取了互斥锁，并且它在队列的末尾或者等待的时间少于1ms，那么就回到正常模式

加锁

func (m *mutex) lock() {
    // 判断当前锁的状态，如果锁是完全空闲的，即m.state为0，则对其加锁，将m.state的值赋为1
    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()
}

func (m *mutex) lockslow() {
    var waitstarttime int64 
    starving := false
    awoke := false
    iter := 0
    old := m.state
    ........
}

通过cas系统调用判断当前锁的状态，如果是空闲则m.state为0，这个时候对其加锁，将m.state设为1
如果当前锁已被占用，通过lockslow方法尝试自旋或者饥饿状态下的竞争，等待锁的释放

lockslow:

初始化五个字段

waitstarttime 用来计算waiter的等待时间
starving 饥饿模式标志，如果等待时间超过1ms，则为true
awoke 协程是否唤醒，当g在自旋的时候，相当于cpu上已经有正在等锁的协程，为了避免mutex解锁时再唤醒其他协程，自旋时要尝试把mutex设为唤醒状态
iter 用来记录协程的自旋次数
old 记录当前锁的状态

判断自旋

for {
    // 判断是否允许进入自旋 两个条件，条件1是当前锁不能处于饥饿状态
    // 条件2是在runtime_canspin内实现，其逻辑是在多核cpu运行，自旋的次数小于4
        if old&(mutexlocked|mutexstarving) == mutexlocked && runtime_canspin(iter) {
      // !awoke 判断当前goroutine不是在唤醒状态
      // old&mutexwoken == 0 表示没有其他正在唤醒的goroutine
      // old>>mutexwaitershift != 0 表示等待队列中有正在等待的goroutine
      // atomic.compareandswapint32(&m.state, old, old|mutexwoken) 尝试将当前锁的低2位的woken状态位设置为1，表示已被唤醒, 这是为了通知在解锁unlock()中不要再唤醒其他的waiter了
            if !awoke && old&mutexwoken == 0 && old>>mutexwaitershift != 0 &&
                atomic.compareandswapint32(&m.state, old, old|mutexwoken) {
                    // 设置当前goroutine唤醒成功
          awoke = true
            }
      // 进行自旋
            runtime_dospin()
      // 自旋次数
            iter++
      // 记录当前锁的状态
            old = m.state
            continue
        }
}

const active_spin_cnt = 30
func sync_runtime_dospin() {
    procyield(active_spin_cnt)
}
// asm_amd64.s
text runtime·procyield(sb),nosplit,$0-0
    movl    cycles+0(fp), ax
again:
    pause
    subl    $1, ax
    jnz    again
    ret

进入自旋的原因：乐观的认为当前正在持有锁的g能在短时间内归还锁，所以需要一些条件来判断：到底能不能短时间归还
条件如下

自旋的次数<=4
cpu必须为多核
gomaxprocs>1，最大被同时执行的cpu数目大于1
当前机器上至少存在一个正在运行的p并且处理队列为空

满足条件之后进行循环，次数为30次，也就是执行30次pause指令来占据cpu，进行自旋

解锁

func (m *mutex) unlock() {
    // 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)
    }
}
func (m *mutex) unlockslow(new int32) {
  // 这里表示解锁了一个没有上锁的锁，则直接发生panic
    if (new+mutexlocked)&mutexlocked == 0 {
        throw("sync: unlock of unlocked mutex")
    }
  // 正常模式的释放锁逻辑
    if new&mutexstarving == 0 {
        old := new
        for {
      // 如果没有等待者则直接返回即可
      // 如果锁处于加锁的状态，表示已经有goroutine获取到了锁，可以返回
      // 如果锁处于唤醒状态，这表明有等待的goroutine被唤醒了，不用尝试获取其他goroutine了
      // 如果锁处于饥饿模式，锁之后会直接给等待队头goroutine
            if old>>mutexwaitershift == 0 || old&(mutexlocked|mutexwoken|mutexstarving) != 0 {
                return
            }
            // 抢占唤醒标志位，这里是想要把锁的状态设置为被唤醒，然后waiter队列-1
            new = (old - 1<<mutexwaitershift) | mutexwoken
            if atomic.compareandswapint32(&m.state, old, new) {
        // 抢占成功唤醒一个goroutine
                runtime_semrelease(&m.sema, false, 1)
                return
            }
      // 执行抢占不成功时重新更新一下状态信息，下次for循环继续处理
            old = m.state
        }
    } else {
    // 饥饿模式释放锁逻辑，直接唤醒等待队列goroutine
        runtime_semrelease(&m.sema, true, 1)
    }
}

func (m *mutex) unlockslow(new int32) {
  // 这里表示解锁了一个没有上锁的锁，则直接发生panic
    if (new+mutexlocked)&mutexlocked == 0 {
        throw("sync: unlock of unlocked mutex")
    }
  // 正常模式的释放锁逻辑
    if new&mutexstarving == 0 {
        old := new
        for {
      // 如果没有等待者则直接返回即可
      // 如果锁处于加锁的状态，表示已经有goroutine获取到了锁，可以返回
      // 如果锁处于唤醒状态，这表明有等待的goroutine被唤醒了，不用尝试获取其他goroutine了
      // 如果锁处于饥饿模式，锁之后会直接给等待队头goroutine
            if old>>mutexwaitershift == 0 || old&(mutexlocked|mutexwoken|mutexstarving) != 0 {
                return
            }
            // 抢占唤醒标志位，这里是想要把锁的状态设置为被唤醒，然后waiter队列-1
            new = (old - 1<<mutexwaitershift) | mutexwoken
            if atomic.compareandswapint32(&m.state, old, new) {
        // 抢占成功唤醒一个goroutine
                runtime_semrelease(&m.sema, false, 1)
                return
            }
      // 执行抢占不成功时重新更新一下状态信息，下次for循环继续处理
            old = m.state
        }
    } else {
    // 饥饿模式释放锁逻辑，直接唤醒等待队列goroutine
        runtime_semrelease(&m.sema, true, 1)
    }
}

解锁对于加锁来说简单很多，通过addint32方法进行快速解锁，将m.state低位置为0，然后判断值，如果为0，那么就完全空闲了，结束解锁。如果不为0说明当前锁未被占用，不过有等待的g未被唤醒，需要进行一系列唤醒操作，唤醒判断锁的状态，然后进行具体的goroutine唤醒

非阻塞加锁

func (m *mutex) trylock() bool {
  // 记录当前状态
    old := m.state
  //  处于加锁状态/饥饿状态直接获取锁失败
    if old&(mutexlocked|mutexstarving) != 0 {
        return false
    }
    // 尝试获取锁，获取失败直接获取失败
    if !atomic.compareandswapint32(&m.state, old, old|mutexlocked) {
        return false
    }


    return true
}

trylock是go 1.18新加入的方法，不被鼓励使用，主要是两个判断逻辑