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Go高阶11,手摸手带你深入了解 Mutex 实现原理

大家好我是无尘,今天我们再来深入了解下互斥锁

互斥锁是对于并发程序的共享资源进行访问控制的主要手段,之前在介绍并发的时候已经对互斥锁的使用进行过介绍:并发控制,同步原语 sync 包

Mutex 使用非常方便,但它的内部实现却复杂的很,今天我们来介绍下它的内部实现原理。

Mutex 数据结构

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

// A Mutex is a mutual exclusion lock.
// The zero value for a Mutex is an unlocked mutex.
//
// A Mutex must not be copied after first use.
type Mutex struct {
 state int32
 sema  uint32
}
  • state : 表示互斥锁的状态,例如是否被锁定
  • 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。

state 是32位的整型变量,内部实现是把它分成了四份,用来记录 Mutex 的四种状态。Mutex 的内部布局:

  • 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。
  • 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。
  • 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。
  • Locked: 表示该 Mutex 是否已被锁定,0:没有锁定 1:已被锁定。

协程之间抢锁实际上是抢给 Locked 赋值的权利,能够给 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。

Mutex方法

  • Lock() : 加锁方法
  • Unlock(): 解锁方法
  1. 互斥锁,使同一时刻只能有一个协程执行某段程序,其他协程等待该协程执行完再依次执行。
  2. 互斥锁只有两个方法 Lock (加锁)和 Unlock(解锁),当一个协程对资源上锁后,只有等该协程解锁,其他协程才能再次上锁。
  3. Lock 和 Unlock 是成对出现,为了防止上锁后忘记释放锁,我们可以使用 defer 语句来释放锁。

加/解锁过程

简单加锁

假设当前只有一个协程在加锁,且没有其他协程的干扰,其过程如下图:

加锁会查看 Locked 标志位是否为 0,若为 0 则改为 1,表示加锁成功。

加锁被阻塞

假设加锁时,锁已经被其他协程占用了,其过程如下图:

当 B 协程对一个已被占用的锁再次加锁时,Waiter 计数器增加了1,此时 B 协程将被阻塞,直到 Locked 值变为0后才会被唤醒。

简单解锁

假设解锁时,没有其他协程阻塞,其过程如下图:

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 位改为 0 即可,不需要释放信号量。

解锁并唤醒协程

假设解锁时,有1个或多个协程阻塞,其过程如下图:

A协程解锁分为两个步,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B协程把 Locked 位改为 1,于是 B协程获得锁。

自旋过程

  • 加锁时,如果当前 Locked 位为 1,则说明该锁当前是由其他协程持有,尝试加锁的协程并不会马上转入阻塞,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。
  • 自旋的时间很短,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。

自旋的条件

加锁时程序会自动判断是否可以自旋,但无限制的自旋会给 CPU 带来巨大的压力,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:

  • 自旋的次数要足够小,通常为4,即「自旋最多为4次」
  • CPU 核数要大于1,否则自旋是没有意义的,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

自旋优势及问题

自旋的优势是更充分的利用CPU,尽量避免协程切换。

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。

Mutex模式

每个 Mutex 都有两个模式,Normal 和 Starving。

  1. Normal

默认情况下,Mutex 的模式为 normal。在该模式下,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程,尝试抢锁。

  1. starvation

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,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 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。

Woken 状态

Woken 状态用于加锁和解锁过程的通信,例如,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。

重复解会 panic

Unlock 过程分为将 Locked 改为 0,然后判断 Waiter 的值:

  • 如果值 >0,则释放信号量。
  • 如果多次 Unlock(),那么可能每次都释放一个信号量,这样会唤醒多个协程,多个协程唤醒后会继续在 Lock()的逻辑里抢锁,势必会增加 Lock()实现的复杂度,也会引起不必要的协程切换。

本文分享自微信公众号 - 微客鸟窝(gophpython),作者:无尘

原文出处及转载信息见文内详细说明,如有侵权,请联系 yunjia_community@tencent.com 删除。

原始发表时间:2021-08-26

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