Go 中的鎖原始碼實現:Mutex

legendtkl發表於2016-10-24

上一篇文章《當我們談論鎖,我們談什麼》 中我提到了鎖,準確地說是訊號量(semaphore, mutext是semaphore的一種)的實現方式有兩種:wait的時候忙等待或者阻塞自己。

忙等待和阻塞方式各有優劣:

  • 忙等待會使CPU空轉,好處是如果在當前時間片內鎖被其他程式釋放,當前程式直接就能拿到鎖而不需要CPU進行程式排程了。適用於鎖佔用時間較短的情況,且不適合於單處理器。
  • 阻塞不會導致CPU空轉,但是程式切換也需要代價,比如上下文切換,CPU Cache Miss。

下面看一下golang的原始碼裡面是怎麼實現鎖的。golang裡面的鎖有兩個特性:
1.不支援巢狀鎖
2.可以一個goroutine lock,另一個goroutine unlock

互斥鎖

golang中的互斥鎖定義在src/sync/mutex.go

看上去也是使用訊號量的方式來實現的。sema就是訊號量,一個非負數;state表示Mutex的狀態。mutexLocked表示鎖是否可用(0可用,1被別的goroutine佔用),mutexWoken=2表示mutex是否被喚醒,mutexWaiterShift=2表示統計阻塞在該mutex上的goroutine數目需要移位的數值。將3個常量對映到state上就是

1.Lock

下面看一下mutex的lock。

這裡要解釋一下atomic.CompareAndSwapInt32()atomic包是由golang提供的low-level的原子操作封裝,主要用來解決程式同步為題,官方並不建議直接使用。我在上一篇文章中說過,作業系統級的鎖的實現方案是提供原子操作,然後基本上所有鎖相關都是通過這些原子操作來實現。CompareAndSwapInt32()就是int32型數字的compare-and-swap實現。cas(&addr, old, new)的意思是if *addr==old, *addr=new。大部分作業系統支援CAS,x86指令集上的CAS彙編指令是CMPXCHG。下面我們繼續看上面的lock函式。

首先先忽略race.Enabled相關程式碼,這個是go做race檢測時候用的,這個時候需要帶上-race,則race.Enabled被置為true。Lock函式的入口處先呼叫CAS嘗試去獲得鎖,如果m.state==0,則將其置為1,並返回。

繼續往下看,首先將m.state的值儲存到old變數中,new=old|mutexLocked。直接看能讓for退出的第三個if條件,首先呼叫CAS試圖將m.state設定成new的值。然後看一下if裡面,如果m.state之前的值也就是old如果沒有被佔用則表示當前goroutine拿到了鎖,則break。我們先看一下new的值的變化,第一個if條件裡面new = old + 1<<mutexWaiterShift,結合上面的mutex的state各個位的意義,這句話的意思表示mutex的等待goroutine數目加1。還有awoke為true的情況下,要將m.state的標誌位取消掉,也就是這句new &^= mutexWoken的作用。繼續看第三個if條件裡面,如果裡面的if判斷失敗,則走到runtime_Semacquire()。

看一下這個函式runtime_Semacquire()函式,由於golang1.5之後把之前C語言實現的程式碼都幹掉了,所以現在很低層的程式碼都是go來實現的。通過原始碼中的定義我們可以知道這個其實就是訊號量的wait操作:等待*s>0,然後減1。編譯器裡使用的是sync_runtime.semacquire()函式。

上面的程式碼有點多,我們只看和鎖相關的程式碼。

seg 1程式碼片段semroot()返回結構體semaRoot。儲存方式是先對訊號量的地址做移位,然後做雜湊(對251取模,這個地方為什麼是左移3位和對251取模不太明白)。semaRoot相當於和mutex.sema繫結。看一下semaRoot的結構:一個sudog連結串列和一個nwait整型欄位。nwait欄位表示該訊號量上等待的goroutine數目。head和tail表示連結串列的頭和尾巴,同時為了執行緒安全,需要使用一個互斥量來保護連結串列。這個時候細心的同學應該注意到一個問題,我們前面不是從Mutex跟過來的嗎,相當於Mutex的實現了使用了Mutex本身?實際上semaRoot裡面的mutex只是內部使用的一個簡單版本,和sync.Mutex不是同一個。現在把這些倒推回去,runtime_Semacquire()的作用其實就是semaphore的wait(&s):如果*s<0,則將當前goroutine塞入訊號量s關聯的goroutine waiting list,並休眠。

現在mutex.Lock()還剩下runtime_canSpin(iter)這一段,這個地方其實就是鎖的自旋版本。golang對於自旋鎖的取捨做了一些限制:1.多核; 2.GOMAXPROCS>1; 3.至少有一個執行的P並且local的P佇列為空。golang的自旋嘗試只會做幾次,並不會一直嘗試下去,感興趣的可以跟一下原始碼。

Unlock

Mutex的Unlock函式定義如下

函式入口處的四行程式碼和race detection相關,暫時不用管。接下來的四行程式碼是判斷是否是巢狀鎖。new是m.state-1之後的值。我們重點看for迴圈內部的程式碼。

這兩句是說:如果阻塞在該鎖上的goroutine數目為0或者mutex處於lock或者喚醒狀態,則返回。

這裡先將阻塞在mutex上的goroutine數目減一,然後將mutex置於喚醒狀態。runtime_Semreleaseruntime_Semacquire的作用剛好相反,將阻塞在訊號量上goroutine喚醒。有人可能會問喚醒的是哪個goroutine,那麼我們可以看一下goroutine wait list的入佇列和出佇列程式碼。

如上所示,wait list入隊是插在隊尾,出隊是從頭出。

參考

  • 《Go語言學習筆記》

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