golang语言Mutex互斥锁原理解析(自旋锁和饥饿锁)

2024-06-26 本文已影响0人 Feel_狗焕

目录：
1、mutex数据结构
2、加解锁过程

2.1、简单加锁
2.2、加锁被阻塞
2.3、简单解锁
2.4、解锁并唤醒协程

3、自旋过程

3.1、什么是自旋
3.2、自旋条件
3.3、自旋的优缺点

4、Mutex模式Normal和Starvation

1、mutex数据结构

源码包 src/sync/mutex.go:Mutex 定义了互斥锁的数据结构:

type Mutex struct {
  state int32
  sema uint32
}

Mutex.state表示互斥锁的状态，比如是否被锁定等；
Mutex.sema表示信号量，协程阻塞等待该信号量，解锁的协程释放信号量从而唤醒等待信号量的协程；
我们看到Mutex.state是32位的整型变量，内部实现时把该变量分成四份，用于记录Mutex的四种状态。下图展示Mutex的内存布局:

mutex-1.jpg
Locked: 表示该Mutex是否已被锁定，0:没有锁定 1:已被锁定;
Woken: 表示是否有协程已被唤醒，0:没有协程唤醒 1:已有协程唤醒，正在加锁过程中;
Starving:表示该Mutex是否处理饥饿状态， 0:没有饥饿 1:饥饿状态，说明有协程阻塞了超过1ms;
Waiter: 表示阻塞等待锁的协程个数，协程解锁时根据此值来判断是否需要释放信号量;

协程之间抢锁实际上是抢给Locked赋值的权利，能给Locked域置1，就说明抢锁成功。抢不到的话就阻塞等待 Mutex.sema信号量，一旦持有锁的协程解锁，等待的协程会依次被唤醒。Woken和Starving主要用于控制协程间的抢锁过程。

2、加解锁过程：

Mutext对外提供两个方法，实际上也只有这两个方法:

Lock() : 加锁方法；
Unlock(): 解锁方法；
面我们分析一下加锁和解锁的过程，加锁分成功和失败两种情况，成功的话直接获取锁，失败后当前协程被阻塞，同样，解锁时跟据是否有阻塞协程也有两种处理。

2.1、简单加锁

假定当前只有一个协程在加锁，没有其他协程干扰，那么过程如下图所示:

mutex-2.jpg

加锁过程会去判断Locked标志位是否为0，如果是0则把Locked位置1，代表加锁成功。从上图可见，加锁成功后，只是Locked位置1，其他状态位没发生变化。

2.2、加锁被阻塞：

假定加锁时，锁已被其他协程占用了，此时加锁过程如下图所示:

mutex-3.jpg

从上图可看到，当协程B对一个已被占用的锁再次加锁时，Waiter计数器增加了1，此时协程B将被阻塞，直到 Locked值变为0后才会被唤醒。

2.3、简单解锁：

假定解锁时，没有其他协程阻塞，此时解锁过程如下图所示:

mutex-4.jpg

由于没有其他协程阻塞等待加锁，所以此时解锁时只需要把Locked位置为0即可，不需要释放信号量。

2.4、解锁并唤醒协程：

假定解锁时，有1个或多个协程阻塞，此时解锁过程如下图所示:

mutex-5.jpg

协程A解锁过程分为两个步骤，一是把Locked位置0，二是查看到Waiter>0，所以释放一个信号量，唤醒一个阻塞的协程，被唤醒的协程B把Locked位置1，于是协程B获得锁。

3、自旋过程：

加锁时，如果当前Locked位为1，说明该锁当前由其他协程持有，尝试加锁的协程并不是马上转入阻塞，而是会持续
的探测Locked位是否变为0，这个过程即为自旋过程。自旋时间很短，但如果在自旋过程中发现锁已被释放，那么协程可以立即获取锁。此时即便有协程被唤醒也无法获取锁，只能再次阻塞。
自旋的好处是，当加锁失败时不必立即转入阻塞，有一定机会获取到锁，这样可以避免协程的切换。

3.1、什么是自旋：

自旋对应于CPU的”PAUSE”指令，CPU对该指令什么都不做，相当于CPU空转，对程序而言相当于sleep了一小段时间，时间非常短，当前实现是30个时钟周期。自旋过程中会持续探测Locked是否变为0，连续两次探测间隔就是执行这些PAUSE指令，它不同于sleep，不需要将协程转为睡眠状态。

3.2、自旋条件：

加锁时程序会自动判断是否可以自旋，无限制的自旋将会给CPU带来巨大压力，所以判断是否可以自旋就很重要了。自旋必须满足以下所有条件:

自旋次数要足够小，通常为4，即自旋最多4次；
CPU核数要大于1，否则自旋没有意义，因为此时不可能有其他协程释放锁；
协程调度机制中的Process数量要大于1，比如使用GOMAXPROCS()将处理器设置为1就不能启用自旋；
协程调度机制中的可运行队列必须为空，否则会延迟协程调度；
可见，自旋的条件是很苛刻的，总而言之就是不忙的时候才会启用自旋。

3.3、自旋的优缺点：

优点：自旋的优势是更充分的利用CPU，尽量避免协程切换。因为当前申请加锁的协程拥有CPU，如果经过短时间的自旋可以获得锁，当前协程可以继续运行，不必进入阻塞状态。
缺点：如果自旋过程中获得锁，那么之前被阻塞的协程将无法获得锁，如果加锁的协程特别多，每次都通过自旋获得锁，那么之前被阻塞的进程将很难获得锁，从而进入饥饿状态。

为了避免协程长时间无法获取锁，自1.8版本以来增加了一个状态，即Mutex的Starving状态。这个状态下不会自旋，一旦有协程释放锁，那么一定会唤醒一个协程并成功加锁。

4、Mutex模式Normal和Starvation：

1)、normal模式：

默认情况下，Mutex的模式为normal。该模式下，协程如果加锁不成功不会立即转入阻塞排队，而是判断是否满足自旋的条件，如果满足则会启动自旋过。

2)、Starvation模式：

自旋过程中能抢到锁，一定意味着同一时刻有协程释放了锁，我们知道释放锁时如果发现有阻塞等待的协程，还会释放一个信号量来唤醒一个等待协程，被唤醒的协程得到CPU后开始运行，此时发现锁已被抢占了，自己只好再次阻塞，不过阻塞前会判断自上次阻塞到本次阻塞经过了多长时间，如果超过1ms的话，会将Mutex对象的state字段标记为”饥饿”模式，然后再阻塞。
处于饥饿模式下，不会启动自旋过程，也即一旦有协程释放了锁，那么一定会唤醒协程，被唤醒的协程将会成功获取锁，同时也会把等待计数减1。

3)、Woken状态：

Woken状态用于加锁和解锁过程的通信，举个例子，同一时刻，两个协程一个在加锁，一个在解锁，在加锁的协程可能在自旋过程中，此时把Woken标记为1，用于通知解锁协程不必释放信号量了，好比在说:你只管解锁好了，不必释放信号量，我马上就拿到锁了。