Mutex介绍
Mutex 结构体包含两个字段:
字段state:表示当前互斥锁的状态。
字段 sema:是个信号量变量,用来控制等待 goroutine 的阻塞休眠和唤醒。
type Mutex struct {
state int32
sema uint32
}
在Go的1.9版本中,为了解决等待中的 goroutine 可能会一直获取不到锁,增加了饥饿模式,让锁变得更公平,不公平的等待时间限制在 1 毫秒。
state状态字段所表示的含义较为复杂,如下图所示,最低三位分别表示mutexLocked、mutexWoken、mutexStarving,state总共是32位长度,所以剩下的位置,用来表示可以有1<<(32-3)个Goroutine 等待互斥锁的释放:
代码表示如下:
const (
mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
mutexWoken
mutexStarving
)
加锁流程
fast path
func (m *Mutex) Lock() {
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
if race.Enabled {
race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
}
return
}
m.lockSlow()
}
加锁的时候,一开始会通过CAS看一下能不能直接获取锁,如果可以的话,那么直接获取锁成功。
lockSlow
// 等待时间
var waitStartTime int64
// 饥饿标记
starving := false
// 唤醒标记
awoke := false
// 自旋次数
iter := 0
// 当前的锁的状态
old := m.state
for {
// 锁是非饥饿状态,锁还没被释放,尝试自旋
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
awoke = true
}
// 自旋
runtime_doSpin()
// 自旋次数加1
iter++
// 设置当前锁的状态
old = m.state
continue
}
...
}
进入到lockSlow方法之后首先会判断以下能否可以自旋,判断依据就是通过计算:
old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked
可以知道当前锁的状态必须是上锁,并且不能处于饥饿状态,这个判断才为true,然后再看看iter是否满足次数的限制,如果都为true,那么则往下继续。
内层if包含了四个判断:
首先判断了awoke是不是唤醒状态;
old&mutexWoken == 0为真表示没有其他正在唤醒的节点;
old>>mutexWaiterShift != 0表明当前有正在等待的goroutine;
CAS将state的mutexWoken状态位设置为old|mutexWoken,即为1是否成功。
如果都满足,那么将awoke状态设置为真,然后将自旋次数加一,并重新设置状态。
继续往下看:
new := old
if old&mutexStarving == 0 {
// 如果当前不是饥饿模式,那么将mutexLocked状态位设置1,表示加锁
new |= mutexLocked
}
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
// 如果当前被锁定或者处于饥饿模式,则waiter加一,表示等待一个等待计数
new += 1 << mutexWaiterShift
}
// 如果是饥饿状态,并且已经上锁了,那么mutexStarving状态位设置为1,设置为饥饿状态
if starving && old&mutexLocked != 0 {
new |= mutexStarving
}
// 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
if awoke {
if new&mutexWoken == 0 {
throw("sync: inconsistent mutex state")
}
// 清除唤醒标志位
new &^= mutexWoken
}
走到这里有两种情况:1. 自旋超过了次数;2. 目前锁没有被持有。
所以第一个判断,如果当前加了锁,但是没有处于饥饿状态,也会重复设置new |= mutexLocked,即将mutexLocked状态设置为1;
如果是old已经是饥饿状态或者已经被上锁了,那么需要设置Waiter加一,表示这个goroutine下面不会获取锁,会等待;
如果starving为真,表示当前goroutine是饥饿状态,并且old已经被上锁了,那么设置new |= mutexStarving,即将mutexStarving状态位设置为1;
awoke如果在自旋时设置成功,那么在这里要new &^= mutexWoken消除mutexWoken标志位。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,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。
继续往下:
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
// 1.如果原来状态没有上锁,也没有饥饿,那么直接返回,表示获取到锁
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
break // locked the mutex with CAS
}
// 2.到这里是没有获取到锁,判断一下等待时长是否不为0
// 如果不为0,那么加入到队列头部
queueLifo := waitStartTime != 0
// 3.如果等待时间为0,那么初始化等待时间
if waitStartTime == 0 {
waitStartTime = runtime_nanotime()
}
// 4.阻塞等待
runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)
// 5.唤醒之后检查锁是否应该处于饥饿状态
starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
old = m.state
// 6.判断是否已经处于饥饿状态
if old&mutexStarving != 0 {
if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
throw("sync: inconsistent mutex state")
}
// 7.加锁并且将waiter数减1
delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
// 8.如果当前goroutine不是饥饿状态,就从饥饿模式切换会正常模式
delta -= mutexStarving
}
// 9.设置状态
atomic.AddInt32(&m.state, delta)
break
}
awoke = true
iter = 0
} else {
old = m.state
}
到这里,首先会CAS设置新的状态,如果设置成功则往下走,否则返回之后循环设置状态。设置成功之后:
- 首先会判断old状态,如果没有饥饿,也没有获取到锁,那么直接返回,因为这种情况在进入到这段代码之前会将new状态设置为mutexLocked,表示已经获取到锁。这里还判断了一下old状态不能为饥饿状态,否则也不能获取到锁;
- 判断waitStartTime是否已经初始化过了,如果是新的goroutine来抢占锁,那么queueLifo会返回false;如果不是新的goroutine来抢占锁,那么加入到等待队列头部,这样等待最久的 goroutine 优先能够获取到锁;
- 如果等待时间为0,那么初始化等待时间;
- 阻塞等待,当前goroutine进行休眠;
- 唤醒之后检查锁是否应该处于饥饿状态,并设置starving变量值;
- 判断是否已经处于饥饿状态,如果不处于饥饿状态,那么这里直接进入到下一个for循环中获取锁;
- 加锁并且将waiter数减1,这里我看了一会,没用懂什么意思,其实需要分两步来理解,相当于state+mutexLocked,然后state再将waiter部分的数减一;
- 如果当前goroutine不是饥饿状态或者waiter只有一个,就从饥饿模式切换会正常模式;
- 设置状态;
下面用图例来解释:
这部分的图解是休眠前的操作,休眠前会根据old的状态来判断能不能直接获取到锁,如果old状态没有上锁,也没有饥饿,那么直接break返回,因为这种情况会在CAS中设置加上锁;
接着往下判断,waitStartTime是否等于0,如果不等于,说明不是第一次来了,而是被唤醒后来到这里,那么就不能直接放到队尾再休眠了,而是要放到队首,防止长时间抢不到锁;
下面这张图是处于唤醒后的示意图,如何被唤醒的可以直接到跳到解锁部分看完再回来。
被唤醒一开始是需要判断一下当前的starving状态以及等待的时间如果超过了1ms,那么会将starving设置为true;
接下来会有一个if判断, 这里有个细节,因为是被唤醒的,所以判断前需要重新获取一下锁,如果当前不是饥饿模式,那么会直接返回,然后重新进入到for循环中;
如果当前是处于饥饿模式,那么会计算一下delta为加锁,并且当前的goroutine是可以直接抢占锁的,所以需要将waiter减一,如果starving不为饥饿,或者等待时间没有超过1ms,或者waiter只有一个了,那么还需要将delta减去mutexStarving,表示退出饥饿模式;
最后通过AddInt32将state加上delta,这里之所以可以直接加上,因为这时候state的mutexLocked值肯定为0,并且mutexStarving位肯定为1,并且在获取锁之前至少还有当前一个goroutine在等待队列中,所以waiter可以直接减1。
解锁流程
fast path
func (m *Mutex) Unlock() {
if race.Enabled {
_ = m.state
race.Release(unsafe.Pointer(m))
}
//返回一个state被减后的值
new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
if new != 0 {
//如果返回的state值不为0,那么进入到unlockSlow中
m.unlockSlow(new)
}
}
这里主要就是AddInt32重新设置state的mutexLocked位为0,然后判断新的state值是否不为0,不为0则调用unlockSlow方法。
unlockSlow
unlockSlow方法里面也分为正常模式和饥饿模式下的解锁:
func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {
if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
throw("sync: unlock of unlocked mutex")
}
// 正常模式
if new&mutexStarving == 0 {
old := new
for {
// 如果没有 waiter,或者已经有在处理的情况,直接返回
if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
return
}
// waiter 数减 1,mutexWoken 标志设置上,通过 CAS 更新 state 的值
new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
// 直接唤醒等待队列中的 waiter
runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
return
}
old = m.state
}
} else { // 饥饿模式
// 直接唤醒等待队列中的 waiter
runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
}
}
在正常模式下,如果没有 waiter,或者mutexLocked、mutexStarving、mutexWoken有一个不为零说明已经有其他goroutine在处理了,直接返回;如果互斥锁存在等待者,那么通过runtime_Semrelease直接唤醒等待队列中的 waiter;
在饥饿模式,直接调用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。
总结
Mutex的设计非常的简洁的,从代码可以看出为了设计出这么简洁的代码state一个字段可以当4个字段使用。并且为了解决goroutine饥饿问题,在1.9 中 Mutex 增加了饥饿模式让锁变得更公平,不公平的等待时间限制在 1 毫秒,但同时,代码也变得越来越难懂了,所以要理解它上面的思想需要慢慢的废些时间细细的体会一下了。
本篇文章发布于luozhiyun的博客:https://www.luozhiyun.com
本文使用的go的源码时14.4