【golang】sync.Mutex互斥锁的实现原理

sync.Mutex是一个不可重入的排他锁。 这点和Java不同，golang里面的排它锁是不可重入的。

当一个 goroutine 获得了这个锁的拥有权后， 其它请求锁的 goroutine 就会阻塞在 Lock 方法的调用上，直到锁被释放。

数据结构与状态机

sync.Mutex 由两个字段 state 和 sema 组成。其中 state 表示当前互斥锁的状态，而 sema 是用于控制锁状态的信号量。

type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

需要强调的是Mutex一旦使用之后，一定不要做copy操作。

Mutex的状态机比较复杂，使用一个int32来表示：

const (
    mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
    mutexWoken  //2
    mutexStarving //4
    mutexWaiterShift = iota //3
)
                                                                                             
32                                               3             2             1             0 
 |                                               |             |             |             | 
 |                                               |             |             |             | 
 v-----------------------------------------------v-------------v-------------v-------------+ 
 |                                               |             |             |             v 
 |                 waitersCount                  |mutexStarving| mutexWoken  | mutexLocked | 
 |                                               |             |             |             | 
 +-----------------------------------------------+-------------+-------------+-------------+

最低三位分别表示 mutexLocked、mutexWoken 和 mutexStarving，剩下的位置用来表示当前有多少个 Goroutine 等待互斥锁的释放：

在默认情况下，互斥锁的所有状态位都是 0，int32 中的不同位分别表示了不同的状态：

• mutexLocked — 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；
• waitersCount — 当前互斥锁上等待的 goroutine 个数；

为了保证锁的公平性，设计上互斥锁有两种状态：正常状态和饥饿状态。

正常模式 下，所有等待锁的goroutine按照FIFO顺序等待。唤醒的goroutine不会直接拥有锁，而是会和新请求锁的goroutine竞争锁的拥有。新请求锁的goroutine具有优势：它正在CPU上执行，而且可能有好几个，所以刚刚唤醒的goroutine有很大可能在锁竞争中失败。在这种情况下，这个被唤醒的goroutine会加入到等待队列的前面。 如果一个等待的goroutine超过1ms没有获取锁，那么它将会把锁转变为饥饿模式 。

饥饿模式 下，锁的所有权将从unlock的gorutine直接交给交给等待队列中的第一个。新来的goroutine将不会尝试去获得锁，即使锁看起来是unlock状态, 也不会去尝试自旋操作，而是放在等待队列的尾部。

如果一个等待的goroutine获取了锁，并且满足一以下其中的任何一个条件：(1)它是队列中的最后一个；(2)它等待的时候小于1ms。它会将锁的状态转换为正常状态。

正常状态有很好的性能表现，饥饿模式也是非常重要的，因为它能阻止尾部延迟的现象。

Lock

func (m *Mutex) Lock() {
    // 如果mutex的state没有被锁，也没有等待/唤醒的goroutine, 锁处于正常状态，那么获得锁，返回.
    // 比如锁第一次被goroutine请求时，就是这种状态。或者锁处于空闲的时候，也是这种状态。
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
        return
    }
    // Slow path (outlined so that the fast path can be inlined)
    m.lockSlow()
}

func (m *Mutex) lockSlow() {
    // 标记本goroutine的等待时间
    var waitStartTime int64
    // 本goroutine是否已经处于饥饿状态
    starving := false
    // 本goroutine是否已唤醒
    awoke := false
    // 自旋次数
    iter := 0
    old := m.state
    for {
        // 第一个条件：1.mutex已经被锁了；2.不处于饥饿模式(如果时饥饿状态，自旋时没有用的，锁的拥有权直接交给了等待队列的第一个。)
        // 尝试自旋的条件：参考runtime_canSpin函数
        if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
            // 进入这里肯定是普通模式
            // 自旋的过程中如果发现state还没有设置woken标识，则设置它的woken标识， 并标记自己为被唤醒。
            if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
                atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
                awoke = true
            }
            runtime_doSpin()
            iter++
            old = m.state
            continue
        }
        
        // 到了这一步， state的状态可能是：
        // 1. 锁还没有被释放，锁处于正常状态
        // 2. 锁还没有被释放， 锁处于饥饿状态
        // 3. 锁已经被释放， 锁处于正常状态
        // 4. 锁已经被释放， 锁处于饥饿状态
        // 并且本gorutine的 awoke可能是true, 也可能是false (其它goutine已经设置了state的woken标识)
        
        // new 复制 state的当前状态， 用来设置新的状态
        // old 是锁当前的状态
        new := old
        
        // 如果old state状态不是饥饿状态, new state 设置锁， 尝试通过CAS获取锁,
        // 如果old state状态是饥饿状态, 则不设置new state的锁，因为饥饿状态下锁直接转给等待队列的第一个.
        if old&mutexStarving == 0 {
            new |= mutexLocked
        }
        // 将等待队列的等待者的数量加1
        if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
            new += 1 << mutexWaiterShift
        }
        
        // 如果当前goroutine已经处于饥饿状态， 并且old state的已被加锁,
        // 将new state的状态标记为饥饿状态, 将锁转变为饥饿状态.
        if starving && old&mutexLocked != 0 {
            new |= mutexStarving
        }
        
         // 如果本goroutine已经设置为唤醒状态, 需要清除new state的唤醒标记, 因为本goroutine要么获得了锁，要么进入休眠，
        // 总之state的新状态不再是woken状态.
        if awoke {
            // The goroutine has been woken from sleep,
            // so we need to reset the flag in either case.
            if new&mutexWoken == 0 {
                throw("sync: inconsistent mutex state")
            }
            new &^= mutexWoken
        }

        // 通过CAS设置new state值.
        // 注意new的锁标记不一定是true, 也可能只是标记一下锁的state是饥饿状态.
        if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
            
            // 如果old state的状态是未被锁状态，并且锁不处于饥饿状态,
            // 那么当前goroutine已经获取了锁的拥有权，返回
            if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
                break // locked the mutex with CAS
            }
            // If we were already waiting before, queue at the front of the queue.
            // 设置并计算本goroutine的等待时间
            queueLifo := waitStartTime != 0
            if waitStartTime == 0 {
                waitStartTime = runtime_nanotime()
            }
            // 既然未能获取到锁， 那么就使用sleep原语阻塞本goroutine
            // 如果是新来的goroutine,queueLifo=false, 加入到等待队列的尾部，耐心等待
            // 如果是唤醒的goroutine, queueLifo=true, 加入到等待队列的头部
            runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)

            // sleep之后，此goroutine被唤醒
            // 计算当前goroutine是否已经处于饥饿状态.
            starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
            // 得到当前的锁状态
            old = m.state

            // 如果当前的state已经是饥饿状态
            // 那么锁应该处于Unlock状态，那么应该是锁被直接交给了本goroutine
            if old&mutexStarving != 0 {
                // If this goroutine was woken and mutex is in starvation mode,
                // ownership was handed off to us but mutex is in somewhat
                // inconsistent state: mutexLocked is not set and we are still
                // accounted as waiter. Fix that.
                if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
                    throw("sync: inconsistent mutex state")
                }
                // 当前goroutine用来设置锁，并将等待的goroutine数减1.
                delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
                // 如果本goroutine是最后一个等待者，或者它并不处于饥饿状态，
                // 那么我们需要把锁的state状态设置为正常模式.
                if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
                     // 退出饥饿模式
                    delta -= mutexStarving
                }
                // 设置新state, 因为已经获得了锁，退出、返回
                atomic.AddInt32(&m.state, delta)
                break
            }
            awoke = true
            iter = 0
        } else {
            old = m.state
        }
    }
}

整个过程比较复杂，这里总结一下一些重点：

1. 如果锁处于初始状态(unlock, 正常模式)，则通过CAS(0 -> Locked)获取锁；如果获取失败，那么就进入slowLock的流程：

slowLock的获取锁流程有两种模式： 饥饿模式 和 正常模式。

(1)正常模式

1. mutex已经被locked了，处于正常模式下；
2. 前 Goroutine 为了获取该锁进入自旋的次数小于四次；
3. 当前机器CPU核数大于1；
4. 当前机器上至少存在一个正在运行的处理器 P 并且处理的运行队列为空；

满足上面四个条件的goroutine才可以做自旋。自旋就会调用sync.runtime_doSpin 和 runtime.procyield 并执行 30 次的 PAUSE 指令，该指令只会占用 CPU 并消耗 CPU 时间。

处理了自旋相关的特殊逻辑之后，互斥锁会根据上下文计算当前互斥锁最新的状态new。几个不同的条件分别会更新 state 字段中存储的不同信息 — mutexLocked、mutexStarving、mutexWoken 和 mutexWaiterShift：

计算最新的new之后，CAS更新，如果更新成功且old状态是未被锁状态，并且锁不处于饥饿状态，就代表当前goroutine竞争成功并获取到了锁返回。(这也就是当前goroutine在正常模式下竞争时更容易获得锁的原因)

如果当前goroutine竞争失败，会调用 sync.runtime_SemacquireMutex 使用信号量保证资源不会被两个 Goroutine 获取。 sync.runtime_SemacquireMutex 会在方法中不断调用尝试获取锁并休眠当前 Goroutine 等待信号量的释放，一旦当前 Goroutine 可以获取信号量，它就会立刻返回，sync.Mutex.Lock 方法的剩余代码也会继续执行。

(2) 饥饿模式

饥饿模式本身是为了一定程度保证公平性而设计的模式。所以饥饿模式不会有自旋的操作，新的 Goroutine 在该状态下不能获取锁、也不会进入自旋状态，它们只会在队列的末尾等待。

不管是正常模式还是饥饿模式，获取信号量，它就会从阻塞中立刻返回，并执行剩下代码：

1. 在正常模式下，这段代码会设置唤醒和饥饿标记、重置迭代次数并重新执行获取锁的循环；
2. 在饥饿模式下，当前 Goroutine 会获得互斥锁，如果等待队列中只存在当前 Goroutine，互斥锁还会从饥饿模式中退出；

Unlock

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) {
    if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
        throw("sync: unlock of unlocked mutex")
    }
    if new&mutexStarving == 0 {
        old := new
        for {
            // If there are no waiters or a goroutine has already
            // been woken or grabbed the lock, no need to wake anyone.
            // In starvation mode ownership is directly handed off from unlocking
            // goroutine to the next waiter. We are not part of this chain,
            // since we did not observe mutexStarving when we unlocked the mutex above.
            // So get off the way.
            if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
                return
            }
            // Grab the right to wake someone.
            new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
            if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
                runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
                return
            }
            old = m.state
        }
    } else {
        // Starving mode: handoff mutex ownership to the next waiter, and yield
        // our time slice so that the next waiter can start to run immediately.
        // Note: mutexLocked is not set, the waiter will set it after wakeup.
        // But mutex is still considered locked if mutexStarving is set,
        // so new coming goroutines won't acquire it.
        runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
    }
}

互斥锁的解锁过程 sync.Mutex.Unlock 与加锁过程相比就很简单，该过程会先使用 AddInt32 函数快速解锁，这时会发生下面的两种情况：

1. 如果该函数返回的新状态等于 0，当前 Goroutine 就成功解锁了互斥锁；
2. 如果该函数返回的新状态不等于 0，这段代码会调用 sync.Mutex.unlockSlow 方法开始慢速解锁：

sync.Mutex.unlockSlow 方法首先会校验锁状态的合法性 — 如果当前互斥锁已经被解锁过了就会直接抛出异常 sync: unlock of unlocked mutex 中止当前程序。

在正常情况下会根据当前互斥锁的状态，分别处理正常模式和饥饿模式下的互斥锁：

• 在正常模式下，这段代码会分别处理以下两种情况处理；

1. 如果互斥锁不存在等待者或者互斥锁的 mutexLocked、mutexStarving、mutexWoken 状态不都为 0，那么当前方法就可以直接返回，不需要唤醒其他等待者；
2. 如果互斥锁存在等待者，会通过 sync.runtime_Semrelease 唤醒等待者并移交锁的所有权；

• 在饥饿模式下，上述代码会直接调用 sync.runtime_Semrelease 方法将当前锁交给下一个正在尝试获取锁的等待者，等待者被唤醒后会得到锁，在这时互斥锁还不会退出饥饿状态；