圖解Go裏面的mutex瞭解編程語言核心源碼實現

1. 鎖的基礎概念

1.1 CAS與輪詢

1.1.1 cas實現鎖

在鎖的實現中如今愈來愈多的採用CAS來進行，經過利用處理器的CAS指令來實現對給定變量的值交換來進行鎖的獲取

1.1.2 輪詢鎖

在多線程併發的狀況下頗有可能會有線程CAS失敗，一般就會配合for循環採用輪詢的方式去嘗試從新獲取鎖

1.2 鎖的公平性

鎖從公平性上一般會分爲公平鎖和非公平鎖，主要取決於在鎖獲取的過程當中，先進行鎖獲取的線程是否比後續的線程更先得到鎖，若是是則就是公平鎖：多個線程按照獲取鎖的順序依次得到鎖，不然就是非公平性

1.3 飢餓與排隊

1.3.1 鎖飢餓

鎖飢餓是指由於大量線程都同時進行獲取鎖，某些線程可能在鎖的CAS過程當中一直失敗，從而長時間獲取不到鎖

1.3.2 排隊機制

上面提到了CAS和輪詢鎖進行鎖獲取的方式，能夠發現若是已經有線程獲取了鎖，可是在當前線程在屢次輪詢獲取鎖失敗的時候，就沒有必要再繼續進行反覆嘗試浪費系統資源，一般就會採用一種排隊機制，來進行排隊等待

1.4 位計數

在大多數編程語言中針對實現基於CAS的鎖的時候，一般都會採用一個32位的整數來進行鎖狀態的存儲

2. mutex實現

2.1 成員變量與模式

2.1.1 成員變量

在go的mutex中核心成員變量只有兩個state和sema,其經過state來進行鎖的計數，而經過sema來實現排隊

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

2.1.2 鎖模式

鎖模式主要分爲兩種

	描述	公平性
正常模式	正常模式下全部的goroutine按照FIFO的順序進行鎖獲取,被喚醒的goroutine和新請求鎖的goroutine同時進行鎖獲取，一般新請求鎖的goroutine更容易獲取鎖	否
飢餓模式	飢餓模式全部嘗試獲取鎖的goroutine進行等待排隊，新請求鎖的goroutine不會進行鎖獲取，而是加入隊列尾部等待獲取鎖	是

上面能夠看到其實在正常模式下，其實鎖的性能是最高的若是多個goroutine進行鎖獲取後立馬進行釋放則能夠避免多個線程的排隊消耗 同理在切換到飢餓模式後，在進行鎖獲取的時候，若是知足必定的條件也會切換回正常模式，從而保證鎖的高性能

2.2 鎖計數

2.2.1 鎖狀態

在mutex中鎖有三個標誌位，其中其二進制位分別位001(mutexLocked)、010(mutexWoken)、100(mutexStarving), 注意這三者並非互斥的關係，好比一個鎖的狀態多是鎖定的飢餓模式而且已經被喚醒

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

2.2.2 等待計數

mutex中經過低3位存儲了當前mutex的三種狀態，剩下的29位所有用來存儲嘗試正在等待獲取鎖的goroutine的數量

mutexWaiterShift = iota // 3

2.3喚醒機制

2.3.1 喚醒標誌

喚醒標誌其實就是上面說的第二位，喚醒標誌主要用於標識當前嘗試獲取goroutine是否有正在處於喚醒狀態的，記得上面公平模式下，當前正在cpu上運行的goroutine可能會先獲取到鎖

2.3.2 喚醒流程

當釋放鎖的時候，若是當前有goroutine正在喚醒狀態，則只須要修改鎖狀態爲釋放鎖，則處於woken狀態的goroutine就能夠直接獲取鎖，不然則須要喚醒一個goroutine, 而且等待這個goroutine修改state狀態爲mutexWoken，才退出

2.4 加鎖流程

2.3.1 快速模式

若是當前沒有goroutine加鎖，則而且直接進行CAS成功，則直接獲取鎖成功

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

2.3.2 自旋與喚醒

// 注意這裏其實包含兩個信息一個是若是當前已是鎖定狀態，而後容許自旋iter主要是計數次數實際上只容許自旋4次
	// 其實就是在自旋而後等待別人釋放鎖，若是有人釋放鎖，則會馬上進行下面的嘗試獲取鎖的邏輯	
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
			// !awoke 若是當前線程不處於喚醒狀態
			// old&mutexWoken == 0若是當前沒有其餘正在喚醒的節點，就將當前節點處於喚醒的狀態
			// old>>mutexWaiterShift != 0 :右移3位，若是不位0，則代表當前有正在等待的goroutine
			// atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken)設置當前狀態爲喚醒狀態
			if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
				atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
				awoke = true
			}
			// 嘗試自旋，
			runtime_doSpin()
			// 自旋計數
			iter++
        // 重新獲取狀態
			old = m.state
			continue
		}

2.3.3 更改鎖狀態

流程走到這裏會有兩種可能： 1.鎖狀態當前已經不是鎖定狀態 2.自旋超過指定的次數，再也不容許自旋了

new := old
		if old&mutexStarving == 0 {
			// 若是當前不是飢餓模式，則這裏其實就能夠嘗試進行鎖的獲取了|=其實就是將鎖的那個bit位設爲1表示鎖定狀態
			new |= mutexLocked
		}
		if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
			// 若是當前被鎖定或者處於飢餓模式，則增等待一個等待計數
			new += 1 << mutexWaiterShift
		}
		if starving && old&mutexLocked != 0 {
			// 若是當前已經處於飢餓狀態，而且當前鎖仍是被佔用，則嘗試進行飢餓模式的切換
			new |= mutexStarving
		}
		if awoke {
			if new&mutexWoken == 0 {
				throw("sync: inconsistent mutex state")
			}
			// awoke爲true則代表當前線程在上面自旋的時候，修改mutexWoken狀態成功
			// 清除喚醒標誌位
            // 爲何要清除標誌位呢？
            // 其實是由於後續流程頗有可能當前線程會被掛起,就須要等待其餘釋放鎖的goroutine來喚醒
            // 但若是unlock的時候發現mutexWoken的位置不是0，則就不會去喚醒，則該線程就沒法再醒來加鎖
			new &^= mutexWoken
		}

2.3.3 加鎖排隊與狀態轉換

再加鎖的時候實際上只會有一個goroutine加鎖CAS成功，而其餘線程則須要從新獲取狀態，進行上面的自旋與喚醒狀態的從新計算，從而再次CAS

if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
			if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
				// 若是原來的狀態等於0則代表當前已經釋放了鎖而且也不處於飢餓模式下
                // 實際的二進制位多是這樣的 1111000, 後面三位全是0，只有記錄等待goroutine的計數器可能會不爲0
                // 那就代表其實
				break // locked the mutex with CAS
			}
			// 排隊邏輯，若是發現waitStatrTime不爲0，則代表當前線程以前已經再排隊來，後面可能由於
            // unlock被喚醒，可是本次依舊沒獲取到鎖，因此就將它移動到等待隊列的頭部
			queueLifo := waitStartTime != 0
			if waitStartTime == 0 {
				waitStartTime = runtime_nanotime()
			}
            // 這裏就會進行排隊等待其餘節點進行喚醒
			runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo)
			// 若是等待超過指定時間，則切換爲飢餓模式 starving=true
            // 若是一個線程以前不是飢餓狀態，而且也沒超過starvationThresholdNs，則starving爲false
            // 就會觸發下面的狀態切換
			starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
			// 從新獲取狀態
            old = m.state
			if old&mutexStarving != 0 { 
                // 若是發現當前已是飢餓模式，注意飢餓模式喚醒的是第一個goroutine
                // 當前全部的goroutine都在排隊等待
			// 一致性檢查，
				if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
					throw("sync: inconsistent mutex state")
				}
				// 獲取當前的模式
				delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
				if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
					// 若是當前goroutine不是飢餓狀態，就從飢餓模式切換會正常模式
                    // 就從mutexStarving狀態切換出去
					delta -= mutexStarving
				}
                // 最後進行cas操做
				atomic.AddInt32(&m.state, delta)
				break
			}
            // 重置計數
			awoke = true
			iter = 0
		} else {
			old = m.state
		}

2.5 釋放鎖邏輯

2.5.1 釋放鎖代碼

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

	// 直接進行cas操做
	new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
	if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
		throw("sync: unlock of unlocked mutex")
	}
	if new&mutexStarving == 0 {
		// 若是釋放鎖而且不是飢餓模式
		old := new
		for {

			if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
				// 若是已經有等待者而且已經被喚醒，就直接返回
				return
			}
			// 減去一個等待計數，而後將當前模式切換成mutexWoken
			new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
			if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
				// 喚醒一個goroutine
				runtime_Semrelease(&m.sema, false)
				return
			}
			old = m.state
		}
	} else {
		// 喚醒等待的線程
		runtime_Semrelease(&m.sema, true)
	}
}

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