Go 中鎖的那些姿勢，估計你不知道

a_wei發表於2020-01-12
Go

什麼是鎖，為什麼使用鎖

用俗語來說，鎖意味著一種保護，對資源的一種保護，在程式設計師眼中，這個資源可以是一個變數，一個程式碼片段，一條記錄，一張資料庫表等等。

就跟小孩需要保護一樣，不保護的話小孩會收到傷害，同樣的使用鎖的原因是資源不保護的話，可能會受到汙染，在併發情況下，多個人對同一資源進行操作，有可能導致資源不符合預期的修改。

常見的鎖的種類

鎖的種類細分的話，非常多，主要原因是從不同角度看，對鎖的定義不一樣，我這裡總結了一下，畫一個思維腦圖，大家瞭解一下。

我個人認為鎖都可以歸為一下四大類，其它的叫法不同只是因為其實現方式或者應用場景而得名，但本質上上還是下面的這四大類中一種。

Go中鎖的那些姿勢，估計你不知道

其它各種類的鎖總結如下，這些鎖只是為了高效能，為了各種應用場景在程式碼實現上做了很多工作，因此而得名，關於他們的資料很多

Go中鎖的那些姿勢，估計你不知道

更多鎖的詳細解釋參考我github的名詞描述，這裡不在贅述，地址如下：

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

Go中的鎖使用和實現分析

Go的程式碼庫中為開發人員提供了一下兩種鎖：

  1. 互斥鎖 sync.Mutex
  2. 讀寫鎖 sync.RWMutex

第一個互斥鎖指的是在Go程式設計中，同一資源的鎖定對各個協程是相互排斥的，當其中一個協程獲取到該鎖時，其它協程只能等待，直到這個獲取鎖的協程釋放鎖之後，其它的協程才能獲取。

第二個讀寫鎖依賴於互斥鎖的實現，這個指的是當多個協程對某一個資源都是隻讀操作，那麼多個協程可以獲取該資源的讀鎖，並且互相不影響，但當有協程要修改該資源時就必須獲取寫鎖，如果獲取寫鎖時，已經有其它協程獲取了讀寫或者寫鎖，那麼此次獲取失敗，也就是說讀寫互斥，讀讀共享，寫寫互斥。

Go中關於鎖的介面定義如下：，該介面的實現就是上面的兩個鎖種類，篇幅有限，這篇文章主要是分析一下互斥鎖的使用和實現，因為RWMutex也是基於Mutex的，大家可以參考文章自行學習一下。

type Locker interface {
   Lock()
   Unlock()
}
type Mutex struct {
   state int32 //初始值預設為0
   sema  uint32 //初始值預設為0
}

Mutex使用也非常的簡單，，宣告一個Mutex變數就可以直接呼叫Lock和Unlock方法了,如下程式碼例項，但使用的過程中有一些注意點，如下：

  1. 同一個協程不能連續多次呼叫Lock,否則發生死鎖
  2. 鎖資源時儘量縮小資源的範圍，以免引起其它協程超長時間等待
  3. mutex傳遞給外部的時候需要傳指標，不然就是例項的複製，會引起鎖失敗
  4. 善用defer確保在函式內釋放了鎖
  5. 使用-race在執行時檢測資料競爭問題，go test -race ....，go build -race ....
  6. 善用靜態工具檢查鎖的使用問題
  7. 使用go-deadlock檢測死鎖，和指定鎖超時的等待問題(自己百度工具用法)
  8. 能用channel的場景別使用成了lock
var lock sync.Mutex

func MutexStudy(){
    //獲取鎖
    lock.Lock()
    //業務邏輯操作
    time.Sleep(1 * time.Second)
    //釋放鎖
    defer lock.Unlock()
}

我們瞭解了Mutext的使用和注意事項，那麼具體原理是怎麼實現的呢？運用到了那些技術，下面一起分析一下Mutex的實現原理。

Mutex實現中有兩種模式，1：正常模式，2：飢餓模式，前者指的是當一個協程獲取到鎖時，後面的協程會排隊(FIFO),釋放鎖時會喚醒最早排隊的協程，這個協程會和正在CPU上執行的協程競爭鎖，但是大機率會失敗，為什麼呢？因為你是剛被喚醒的，還沒有獲得CPU的使用權，而CPU正在執行的協程肯定比你有優勢，如果這個被喚醒的協程競爭失敗，並且超過了1ms，那麼就會退回到後者(飢餓模式)，這種模式下，該協程在下次獲取鎖時直接得到,不存在競爭關係，本質是為了防止協程等待鎖的時間太長。

兩種模式都瞭解了，我們再來分析一下幾個核心常量，程式碼如下：

const (
   mutexLocked = 1 << iota //1, 0001 最後一位表示當前鎖的狀態，0未鎖，1已鎖 
   mutexWoken //2, 0010，倒數第二位表示當前鎖是否會被喚醒,0喚醒，1未喚醒
   mutexStarving //4, 0100 倒數第三位表示當前物件是否為飢餓模式,0正常，1飢餓
   mutexWaiterShift = iota //3 從倒數第四位往前的bit表示排隊的gorouting數量
   starvationThresholdNs = 1e6 // 飢餓的閾值：1ms
）
//Mutex中的變數，這裡主要是將常量對映到state上面
state //0代表未獲取到鎖，1代表得到鎖，2-2^31表示gorouting排隊的數量的
sema //非負數的訊號量，阻塞協程的依據

這幾個變數你要是都弄白了，那麼程式碼看起來就相對好理解一些了,整個Lock的原始碼較長,我將註釋寫入程式碼中，方便大家理解，整個鎖的過程其實分為三部分,建議大家參考原始碼和我的註釋一塊學習。

  1. 直接獲取鎖，返回
  2. 自旋和喚醒
  3. 判斷各種狀態，特殊情況處理

第一部分程式碼如下，較為簡單，獲取鎖成功之後直接返回

//對state進行cas修改操作，修改成功相當於獲取鎖，修改之後state=1
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
    return
}

第二部分自旋的程式碼如下

//開始等待時間
var waitStartTime int64
//這幾個變數含義依次是：是否飢餓，是否喚醒，自旋次數，鎖的當前狀態
starving := false；awoke := false；iter := 0；old := m.state
//進入死迴圈，直到獲得鎖成功(獲得鎖成功就是有別的協程釋放鎖了）
for {
    //這個if的核心邏輯是判斷：已經獲得鎖了並且不是飢餓模式 && 可以自旋，與cpu核數有關
    if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
           //這個是判斷：沒有被喚醒 && 有排隊等待的協程 && 嘗試設定通知被喚醒
        if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 && atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
           //說明上個協程此時已經unlock了，喚醒當前協程
            awoke = true
        }
        //自旋一段時間
        runtime_doSpin()
        //自選次數加1
        iter++
        old = m.state
        continue
    }
}

第三部分程式碼，判斷各種狀態，特殊情況處理

new := old
 //1：原協程已經unlock了，對new的修改為已鎖
if old&mutexStarving == 0 { 
    new |= mutexLocked
}
//2：這裡是執行完自旋或者沒執行自旋（原協程沒有unlock）
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
    new += 1 << mutexWaiterShift //排隊
}
//3：如果是飢餓模式，並且已鎖的狀態
if starving && old&mutexLocked != 0 {
    new |= mutexStarving //設定new為飢餓狀態
}
 //4：上面的awoke被設定為true
if awoke {
    //當前協程被喚醒了，肯定不為0
    if new&mutexWoken == 0 {
        throw("sync: inconsistent mutex state")
    }
    //既然當前協程被喚醒了，重置喚醒標誌為0
    new &^= mutexWoken
}
//修改state的值為new，但這裡new的值會有四種情況，
//就是上面4個if情況對new做的修改，這一步獲取鎖成功
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
    if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
        //這裡代表的是正常模式獲取鎖成功
        break 
    }
    //下面的程式碼是判斷是否從飢餓模式恢復正常模式 
    queueLifo := waitStartTime != 0
    if waitStartTime == 0 {
        waitStartTime = runtime_nanotime()
    }
   //進入阻塞狀態  
    runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo)
   //設定是否為飢餓模式，等待的時間大於1ms就是飢餓模式  
    starving=starving||runtime_nanotime()-waitStartTime> starvationThresholdNs
    old = m.state
    //如果當前鎖是飢餓模式，但這個gorouting被喚醒
    if old&mutexStarving != 0 {
        if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
                    throw("sync: inconsistent mutex state")
        }
       //減去當前鎖的排隊
        delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
        if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
            //退出飢餓模式
            delta -= mutexStarving
        }
        //修改狀態，終止  
        atomic.AddInt32(&m.state, delta)
            break
        }
    }    
    //設定被喚醒  
    awoke = true
    iter = 0
} else {
    old = m.state
}

Lock的原始碼我們弄明白了，那麼Unlock呢，大家看程式碼的時候最好Lock和Unlock結合一起來看，因為他們是對同一變數state在操作

func (m *Mutex) Unlock() {
   //釋放鎖
   new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
   if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
      throw("sync: unlock of unlocked mutex")
   }
   //判斷當前鎖是否飢餓模式,==0代表不是
   if new&mutexStarving == 0 {
      old := new
      for {
         //如果沒有未排隊的協程 或者 有已經被喚醒，得到鎖或飢餓的協程，則直接返回
         if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
            return
         }
         //喚醒其它協程
         new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
         if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
            runtime_Semrelease(&m.sema, false)
            return
         }
         old = m.state
      }
   } else {
      //釋放訊號量
      runtime_Semrelease(&m.sema, true)
   }
}

到這裡整個Mutex的原始碼分析完成，可以看到Metux的原始碼並不是很複雜，只是各種位運算讓開發人員難以直接觀察到結果值，另外閱讀原始碼前一定要先明白各個變數和常量的含義，不然讀起來非常費勁。

Go中鎖的那些姿勢，估計你不知道

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那小子阿偉

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