本篇内容主要讲解“Golang Mutex怎么实现互斥”，感兴趣的朋友不妨来看看。本文介绍的方法操作简单快捷，实用性强。下面就让小编来带大家学习“Golang Mutex怎么实现互斥”吧!
Mutex是Golang常见的并发原语，不仅在开发过程中经常使用到，如channel这种具有golang特色的并发结构也依托于Mutex从而实现
type Mutex struct {
// 互斥锁的状态，比如是否被锁定
state int32
// 表示信号量。堵塞的协程会等待该信号量，解锁的协程会释放该信号量
sema int32
}const ( // 当前是否已经上锁 mutexLocked = 1 << iota // 1 // 当前是否有唤醒的goroutine mutexWoken // 2 // 当前是否为饥饿状态 mutexStarving // 4 // state >> mutexWaiterShift 得到等待者数量 mutexWaiterShift = iota // 3 starvationThresholdNs = 1e6 // 判断是否要进入饥饿状态的阈值 )
Mutex有正常饥饿模式。
正常模式：等待者会入队，但一个唤醒的等待者不能持有锁，以及与新到来的goroutine进行竞争。新来的goroutine有一个优势——他们已经运行在CPU上。
超过1ms没有获取到锁，就会进入饥饿模式
饥饿模式：锁的所有权直接移交给队列头goroutine，新来的goroutine不会尝试获取互斥锁，即使互斥锁看起来已经解锁，也不会尝试旋转。相反，他们自己排在等待队列的末尾。
若等待者是最后一个，或者等待小于1ms就会切换回正常模式
func (m *Mutex) Lock() {
// 快路径。直接获取未锁的mutex
// 初始状态为0，所以只要状态存在其他任何状态位都是无法直接获取的
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()
} // 只要原状态已锁且不处于饥饿状态，并满足自旋条件
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
// 在当前goroutine没有唤醒，且没有其他goroutine在尝试唤醒，且存在等待的情况下，cas标记存在goroutine正在尝试唤醒。若标记成功就设置当前goroutine已经唤醒了
if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
awoke = true
}
// 自旋
runtime_doSpin()
// 自旋次数加一
iter++
// 更新原状态
old = m.state
continue
}具体的自旋条件如下
自旋次数小于4
多核CPU
p数量大于1
至少存在一个p的队列为空
const (
locked uintptr = 1
active_spin = 4
active_spin_cnt = 30
passive_spin = 1
)
func sync_runtime_canSpin(i int) bool {
// sync.Mutex is cooperative, so we are conservative with spinning.
// Spin only few times and only if running on a multicore machine and
// GOMAXPROCS>1 and there is at least one other running P and local runq is empty.
// As opposed to runtime mutex we don't do passive spinning here,
// because there can be work on global runq or on other Ps.
if i >= active_spin || ncpu <= 1 || gomaxprocs <= int32(sched.npidle+sched.nmspinning)+1 {
return false
}
if p := getg().m.p.ptr(); !runqempty(p) {
return false
}
return true
}自旋是由方法runtime_doSpin()执行的，实际调用了procyield()
# 定义了一个runtime.procyield的文本段,通过NOSPLIT不使用栈分裂,$0-0 表示该函数不需要任何输入参数和返回值 TEXT runtime·procyield(SB),NOSPLIT,$0-0 # 从栈帧中读取cycles参赛值，并储存在寄存器R0中 MOVWU cycles+0(FP), R0 # 组成无限循环。在每次循环中，通过YIELD告诉CPU将当前线程置于休眠状态 # YIELD: x86上，实现为PAUSE指令，会暂停处理器执行，切换CPU到低功耗模式并等待更多数据到达。通常用于忙等待机制，避免无谓CPU占用 # ARM上，实现为WFE(Wait For Event)，用于等待中断或者其他事件发生。在某些情况下可能会导致CPU陷入死循环，因此需要特殊处理逻辑解决 again: YIELD # 将R0值减1 SUBW $1, R0 # CBNZ(Compare and Branch on Non-Zero)检查剩余的时钟周期数是否为0。不为0就跳转到标签again并再次调用YIELD，否则就退出函数 CBNZ R0, again RET
以上汇编代码分析过程感谢chatgpt的大力支持
从代码中可以看到自旋次数是30次
const active_spin_cnt = 30
func sync_runtime_doSpin() {
procyield(active_spin_cnt)
}1.原状态不处于饥饿状态，新状态设置已锁状态位
原状态处于已锁状态或饥饿模式，新状态设置等待数量递增
当前goroutine是最新获取锁的goroutine，在正常模式下期望就是要获取锁，那么就应该设置新状态已锁状态位
如果锁已经被抢占了，或者处于饥饿模式，那么就应该去排队
2.若之前尝试获取时已经超过饥饿阈值时间，且原状态已锁，那么新状态设置饥饿状态位
3.若goroutine处于唤醒，则新状态清除正在唤醒状态位
期望是已经获取到锁了，那么自然要清除正在获取的状态位
new := old
// Don't try to acquire starving mutex, new arriving goroutines must queue.
// 若原状态不处于饥饿状态，就给新状态设置已加锁
if old&mutexStarving == 0 {
new |= mutexLocked
}
// 只要原状态处于已锁或者饥饿模式，就将新状态等待数量递增
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
new += 1 << mutexWaiterShift
}
// 若已经等待超过饥饿阈值时间且原状态已锁，就设置新状态为饥饿
// 这也意味着如果已经不处于已锁状态，就可以切换回正常模式了
if starving && old&mutexLocked != 0 {
new |= mutexStarving
}
// 如果已经唤醒了（也就是没有其他正在抢占的goroutine），则在新状态中清除正在唤醒状态位
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
}cas尝试从原状态更新为新的期望状态
如果失败，则更新最新状态，继续尝试获取锁
说明这期间锁已经被抢占了
若原来既没有被锁住，也没有处于饥饿模式，那么就获取到锁，直接返回
排队。若之前已经在等待了就排到队列头
获取信号量。此处会堵塞等待
被唤醒，认定已经持有锁。并做以下饥饿相关处理
计算等待时长，若超出饥饿阈值时间，就标记当前goroutine处于饥饿
若锁处于饥饿模式，递减等待数量，并且在只有一个等待的时候，切换锁回正常模式
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
// 如果原状态既没有处于已锁状态，也没有处于饥饿模式
// 那么就表示已经获取到锁，直接退出
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
break // locked the mutex with CAS
}
// 若已经在等待了，就排到队列头
queueLifo := waitStartTime != 0
if waitStartTime == 0 {
waitStartTime = runtime_nanotime()
}
// 尝试获取信号量。此处获取一个信号量以实现互斥
// 此处会进行堵塞
runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)
// 被信号量唤醒之后，发现若等待时间超过饥饿阈值，就切换到饥饿模式
starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
old = m.state
// 处于饥饿模式下
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.
// 若既没有已锁且正在尝试唤醒，或者等待队列为空，就代表产生了不一致的状态
if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
throw("sync: inconsistent mutex state")
}
// 当前goroutine已经获取锁，等待队列减1；若等待者就一个，就切换正常模式。退出
delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
delta -= mutexStarving
}
atomic.AddInt32(&m.state, delta)
break
}
// 不处于饥饿模式下，设置当前goroutine为唤醒状态，重置自璇次数，继续尝试获取锁
awoke = true
iter = 0
} else {
// 若锁被其他goroutine占用了，就更新原状态，继续尝试获取锁
old = m.state
}如果lock当前只有一个goroutine g1去获取锁，那么会直接快路径，cas更新已锁状态位，获取到锁
如果锁已经被g1持有，
此时g2会先自旋4次，
然后计算期望状态为已锁、等待数量为1、唤醒状态位被清除
在cas更新的时候尝试更新锁状态成功，接着因为原状态本身处于已锁，所以就不能获取到锁，只能排队，信号量堵塞
g1释放锁后，g2被唤醒，接着再次计算期望状态，并cas更新状态成功，直接获取到锁
如果锁已经被g1持有，且g2在第一次尝试获取时超过了1ms（也就是饥饿阈值），那么
计算期望状态为已锁、饥饿、清除唤醒状态位
cas更新状态成功，排在队列头，并被信号量堵塞
g1释放锁后，g2被唤醒就直接获取到锁，并减去排队数量以及清空饥饿位
如果没有排队的goroutine，没有处于饥饿状态，也没有真正尝试获取锁的goroutine，那么就可以直接cas更新状态为0
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)
}
}如果原锁没有被锁住，就报错
若原状态不处于饥饿状态，尝试唤醒等待者
若现在锁已经被获取、正在获取、饥饿或者没有等待者，直接返回
期望状态等待数量减1，并设置正在唤醒状态位
cas尝试更新期望状态，若成功，释放
失败说明在这过程中又有goroutine在尝试获取，那么继续下一轮释放
处于饥饿状态，直接释放信号量，移交锁所有权
func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {
// 若原状态根本没有已锁状态位
if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
throw("sync: unlock of unlocked mutex")
}
// 若原状态不处于饥饿状态
if new&mutexStarving == 0 {
old := new
for {
// 若没有等待，或者存在goroutine已经被唤醒，或者已经被锁住了，就不需要唤醒任何人，返回
if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
return
}
// Grab the right to wake someone.
// 设置期望状态为正在获取状态位，并减去一个等待者
new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
// 尝试cas更新为期望新状态，若成功就释放信号量，失败就更新原状态，进行下一轮释放
// 失败说明在这过程中又有goroutine在尝试获取，比如已经获取到了、变成饥饿了、自旋等
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
return
}
old = m.state
}
} else {
// 饥饿模式下就移交锁所有权给下一个等待者，并放弃时间片，以便该等待者可以快速开始
runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
}
}到此，相信大家对“Golang Mutex怎么实现互斥”有了更深的了解，不妨来实际操作一番吧！这里是亿速云网站，更多相关内容可以进入相关频道进行查询，关注我们，继续学习！
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