Go 中锁的那些姿势,估计你不知道

什么是锁,为什么使用锁

用俗语来说,锁意味着一种保护,对资源的一种保护,在程序员眼中,这个资源可以是一个变量,一个代码片段,一条记录,一张数据库表等等。

就跟小孩需要保护一样,不保护的话小孩会收到伤害,同样的使用锁的原因是资源不保护的话,可能会受到污染,在并发情况下,多个人对同一资源进行操作,有可能导致资源不符合预期的修改。

常见的锁的种类

锁的种类细分的话,非常多,主要原因是从不同角度看,对锁的定义不一样,我这里总结了一下,画一个思维脑图,大家了解一下。

我个人认为锁都可以归为一下四大类,其它的叫法不同只是因为其实现方式或者应用场景而得名,但本质上上还是下面的这四大类中一种。

Go中锁的那些姿势,估计你不知道

其它各种类的锁总结如下,这些锁只是为了高性能,为了各种应用场景在代码实现上做了很多工作,因此而得名,关于他们的资料很多

Go中锁的那些姿势,估计你不知道

更多锁的详细解释参考我github的名词描述,这里不在赘述,地址如下:

https://github.com/sunpengwei1992/java_common/tree/master/src/lock

Go中的锁使用和实现分析

Go的代码库中为开发人员提供了一下两种锁:

  1. 互斥锁 sync.Mutex
  2. 读写锁 sync.RWMutex

第一个互斥锁指的是在Go编程中,同一资源的锁定对各个协程是相互排斥的,当其中一个协程获取到该锁时,其它协程只能等待,直到这个获取锁的协程释放锁之后,其它的协程才能获取。

第二个读写锁依赖于互斥锁的实现,这个指的是当多个协程对某一个资源都是只读操作,那么多个协程可以获取该资源的读锁,并且互相不影响,但当有协程要修改该资源时就必须获取写锁,如果获取写锁时,已经有其它协程获取了读写或者写锁,那么此次获取失败,也就是说读写互斥,读读共享,写写互斥。

Go中关于锁的接口定义如下:,该接口的实现就是上面的两个锁种类,篇幅有限,这篇文章主要是分析一下互斥锁的使用和实现,因为RWMutex也是基于Mutex的,大家可以参考文章自行学习一下。

type Locker interface {
   Lock()
   Unlock()
}
type Mutex struct {
   state int32 //初始值默认为0
   sema  uint32 //初始值默认为0
}

Mutex使用也非常的简单,,声明一个Mutex变量就可以直接调用Lock和Unlock方法了,如下代码实例,但使用的过程中有一些注意点,如下:

  1. 同一个协程不能连续多次调用Lock,否则发生死锁
  2. 锁资源时尽量缩小资源的范围,以免引起其它协程超长时间等待
  3. mutex传递给外部的时候需要传指针,不然就是实例的拷贝,会引起锁失败
  4. 善用defer确保在函数内释放了锁
  5. 使用-race在运行时检测数据竞争问题,go test -race ....,go build -race ....
  6. 善用静态工具检查锁的使用问题
  7. 使用go-deadlock检测死锁,和指定锁超时的等待问题(自己百度工具用法)
  8. 能用channel的场景别使用成了lock
var lock sync.Mutex

func MutexStudy(){
    //获取锁
    lock.Lock()
    //业务逻辑操作
    time.Sleep(1 * time.Second)
    //释放锁
    defer lock.Unlock()
}

我们了解了Mutext的使用和注意事项,那么具体原理是怎么实现的呢?运用到了那些技术,下面一起分析一下Mutex的实现原理。

Mutex实现中有两种模式,1:正常模式,2:饥饿模式,前者指的是当一个协程获取到锁时,后面的协程会排队(FIFO),释放锁时会唤醒最早排队的协程,这个协程会和正在CPU上运行的协程竞争锁,但是大概率会失败,为什么呢?因为你是刚被唤醒的,还没有获得CPU的使用权,而CPU正在执行的协程肯定比你有优势,如果这个被唤醒的协程竞争失败,并且超过了1ms,那么就会退回到后者(饥饿模式),这种模式下,该协程在下次获取锁时直接得到,不存在竞争关系,本质是为了防止协程等待锁的时间太长。

两种模式都了解了,我们再来分析一下几个核心常量,代码如下:

const (
   mutexLocked = 1 << iota //1, 0001 最后一位表示当前锁的状态,0未锁,1已锁 
   mutexWoken //2, 0010,倒数第二位表示当前锁是否会被唤醒,0唤醒,1未唤醒
   mutexStarving //4, 0100 倒数第三位表示当前对象是否为饥饿模式,0正常,1饥饿
   mutexWaiterShift = iota //3 从倒数第四位往前的bit表示排队的gorouting数量
   starvationThresholdNs = 1e6 // 饥饿的阈值:1ms
)
//Mutex中的变量,这里主要是将常量映射到state上面
state //0代表未获取到锁,1代表得到锁,2-2^31表示gorouting排队的数量的
sema //非负数的信号量,阻塞协程的依据

这几个变量你要是都弄白了,那么代码看起来就相对好理解一些了,整个Lock的源码较长,我将注释写入代码中,方便大家理解,整个锁的过程其实分为三部分,建议大家参考源码和我的注释一块学习。

  1. 直接获取锁,返回
  2. 自旋和唤醒
  3. 判断各种状态,特殊情况处理

第一部分代码如下,较为简单,获取锁成功之后直接返回

//对state进行cas修改操作,修改成功相当于获取锁,修改之后state=1
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
    return
}

第二部分自旋的代码如下

//开始等待时间
var waitStartTime int64
//这几个变量含义依次是:是否饥饿,是否唤醒,自旋次数,锁的当前状态
starving := false;awoke := false;iter := 0;old := m.state
//进入死循环,直到获得锁成功(获得锁成功就是有别的协程释放锁了)
for {
    //这个if的核心逻辑是判断:已经获得锁了并且不是饥饿模式 && 可以自旋,与cpu核数有关
    if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
           //这个是判断:没有被唤醒 && 有排队等待的协程 && 尝试设置通知被唤醒
        if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 && atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
           //说明上个协程此时已经unlock了,唤醒当前协程
            awoke = true
        }
        //自旋一段时间
        runtime_doSpin()
        //自选次数加1
        iter++
        old = m.state
        continue
    }
}

第三部分代码,判断各种状态,特殊情况处理

new := old
 //1:原协程已经unlock了,对new的修改为已锁
if old&mutexStarving == 0 { 
    new |= mutexLocked
}
//2:这里是执行完自旋或者没执行自旋(原协程没有unlock)
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
    new += 1 << mutexWaiterShift //排队
}
//3:如果是饥饿模式,并且已锁的状态
if starving && old&mutexLocked != 0 {
    new |= mutexStarving //设置new为饥饿状态
}
 //4:上面的awoke被设置为true
if awoke {
    //当前协程被唤醒了,肯定不为0
    if new&mutexWoken == 0 {
        throw("sync: inconsistent mutex state")
    }
    //既然当前协程被唤醒了,重置唤醒标志为0
    new &^= mutexWoken
}
//修改state的值为new,但这里new的值会有四种情况,
//就是上面4个if情况对new做的修改,这一步获取锁成功
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
    if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
        //这里代表的是正常模式获取锁成功
        break 
    }
    //下面的代码是判断是否从饥饿模式恢复正常模式 
    queueLifo := waitStartTime != 0
    if waitStartTime == 0 {
        waitStartTime = runtime_nanotime()
    }
   //进入阻塞状态  
    runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo)
   //设置是否为饥饿模式,等待的时间大于1ms就是饥饿模式  
    starving=starving||runtime_nanotime()-waitStartTime> starvationThresholdNs
    old = m.state
    //如果当前锁是饥饿模式,但这个gorouting被唤醒
    if old&mutexStarving != 0 {
        if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
                    throw("sync: inconsistent mutex state")
        }
       //减去当前锁的排队
        delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
        if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
            //退出饥饿模式
            delta -= mutexStarving
        }
        //修改状态,终止  
        atomic.AddInt32(&m.state, delta)
            break
        }
    }    
    //设置被唤醒  
    awoke = true
    iter = 0
} else {
    old = m.state
}

Lock的源码我们弄明白了,那么Unlock呢,大家看代码的时候最好Lock和Unlock结合一起来看,因为他们是对同一变量state在操作

func (m *Mutex) Unlock() {
   //释放锁
   new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
   if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
      throw("sync: unlock of unlocked mutex")
   }
   //判断当前锁是否饥饿模式,==0代表不是
   if new&mutexStarving == 0 {
      old := new
      for {
         //如果没有未排队的协程 或者 有已经被唤醒,得到锁或饥饿的协程,则直接返回
         if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
            return
         }
         //唤醒其它协程
         new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
         if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
            runtime_Semrelease(&m.sema, false)
            return
         }
         old = m.state
      }
   } else {
      //释放信号量
      runtime_Semrelease(&m.sema, true)
   }
}

到这里整个Mutex的源码分析完成,可以看到Metux的源码并不是很复杂,只是各种位运算让开发人员难以直接观察到结果值,另外阅读源码前一定要先明白各个变量和常量的含义,不然读起来非常费劲。

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那小子阿伟

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