Golang的mutex原理

作者: adm 分类: go 发布时间: 2024-08-09

互斥锁是并发程序中对共享资源进行访问控制的主要手段,对此Go语言提供了非常简单易用的Mutex,Mutex为一结构体类型,对外暴露两个方法Lock()和Unlock()分别用于加锁和解锁。

Mutex使用起来非常方便,但其内部实现却复杂得多,这包括Mutex的几种状态。另外,我们也想探究一下Mutex重 复解锁引起panic的原因。

Mutex数据结构
Mutex结构体
源码包 src/sync/mutex.go:Mutex 定义了互斥锁的数据结构:
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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:
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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,后面再进行了解。

Mutex方法
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

下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。

加解锁过程
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:

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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。

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:
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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。

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:
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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。

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:
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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。

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。

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。

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。

自旋的优势
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。

自旋的问题
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
前面分析加锁和解锁过程中只关注了Waiter和Locked位的变化,现在我们看一下Starving位的作用。
每个Mutex都有两个模式,称为Normal和Starving。下面分别说明这两个模式。

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程,尝试抢锁。

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,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。

为什么重复解锁要panic
可能你会想,为什么Go不能实现得更健壮些,多次执行Unlock()也不要panic?
仔细想想Unlock的逻辑就可以理解,这实际上很难做到。Unlock过程分为将Locked置为0,然后判断Waiter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。

编程Tips
使用defer避免死锁
加锁后立即使用defer对其解锁,可以有效的避免死锁。

加锁和解锁应该成对出现
加锁和解锁最好出现在同一个层次的代码块中,比如同一个函数。 重复解锁会引起panic,应避免这种操作的可能性。

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