Golang Mutex互斥锁源码分析

介绍

Golang的Mutex互斥锁机制是一种非常重要的并发控制方式，它可以保证在同一时刻，同一共享资源只能被一个goroutine访问，其他的goroutine必须等待当前访问者释放锁之后才能访问该共享资源。

在使用Mutex机制时，需要进行锁定、解锁等操作，而这一过程是由Mutex的底层实现——sync包来完成的。

源码分析

Mutex实现了Locker接口，其底层包括一个int32类型的state字段（代表锁的状态）、一个chan类型的sema字段（用于goroutine的同步）及相关的操作方法Lock、Unlock等。下面我们就来详细分析Mutex的源码。

1. 变量定义

首先看一下Mutex的定义：

type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

• state是int32类型的字段，表示锁的状态，0表示未加锁状态，1表示已加锁状态。
• sema是uint32类型的字段，用于goroutine的同步操作。当一个goroutine对该锁加锁时，sema会被减1，当goroutine解锁时，sema会被加1；当sema的值为0时，新的goroutine就必须等待已持有锁的goroutine释放锁后才能再次尝试加锁。

2. 方法实现

Lock

在加锁时，Mutex会首先检测是否已经被锁定，如果未被锁定，则获取锁，返回；如果已被锁定，则goroutine会被阻塞并放入wait list中，等待锁的释放。Mutex的Lock方法实现如下：

func (m *Mutex) Lock() {
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { // 如果当前为未锁定状态，则设置为已锁定状态
        return
    }
    m.lockSlow() // 如果已被锁定，放入wait list中等待锁的释放
}

其中，mutexLocked是一个常量，表示Mutex已被锁定，其值为1（未锁定状态的值为0）。CompareAndSwapInt32是一个原子操作，用于比较并交换m.state的值，如果当前值为0，则将其设置为mutexLocked（1），此操作是原子的。原子操作可以保证同时只有一个goroutine可以执行。

如果当前状态已被设置为1，则执行lockSlow方法。

锁竞争

lockSlow是一个私有方法，它实现了Mutex的锁竞争控制，即竞争锁的goroutine会被阻塞并放入wait list中，等待锁的释放。其中，等待的goroutine状态为G_WAITING，表示它处于等待锁的状态。

func (m *Mutex) lockSlow() {
    awoke := false
    itr := runtime(0) // 等待的自旋次数
    for {
        if m.state < 0 || !atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { // 锁已经被持有，将当前goroutine的状态设置为G_WAITING
            runtime.Gosched() // 让出CPU时间片，让其他goroutine有机会执行
            if !awoke { // 设置为可运行状态
                runtime_SemacquireMutex(&m.sema, false, itr+1)
                awoke = true
            } else { // 等待其他goroutine释放锁
                runtime_SemacquireMutex(&m.sema, true, 1)
            }
            itr = 0 // 重置自旋次数
            continue
        }
        if awoke { // 解锁
            runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
        }
        break
    }
}

在等待锁的过程中，lockSlow在当前goroutine被阻塞之后，会进行一定的自旋等待，以便更快地响应锁的释放；同时，也会让出CPU时间片，给其他的goroutine执行机会。如果锁的状态变更了（可能是其他goroutine解锁了），那么锁等待的goroutine会被唤醒。

然后，程序将等待的goroutine状态设置为G_WAITING，代表该goroutine需要等待锁的释放，并调用runtime_SemacquireMutex方法进入等待状态。

Unlock

在解锁时，Mutex会首先使用CompareAndSwapInt32原子操作将持锁的状态设置为未加锁状态0。如果设置成功，则表示释放锁成功，将locked变量设置为unlock，则之前在wait list中等待的goroutine可以继续执行了。如果失败，说明锁已被其他goroutine持有，将lock状态设置为0，表示该goroutine不再持有锁了。Mutex的Unlock方法实现如下：

func (m *Mutex) Unlock() {
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, mutexLocked, 0) {
        return
    }
    m.unlockSlow()
}

其中，如果解锁成功（即当前状态为mutexLocked），则直接返回；否则，调用unlockSlow方法。

解锁

unlockSlow是一个私有方法，实现了Mutex的解锁机制，即执行解锁操作的goroutine需要将锁的状态设置为0。对于处于wait list中等待锁的goroutine，unlockSlow方法会释放它们的等待状态，使它们能够继续执行。代码如下：

func (m *Mutex) unlockSlow() {
    for i := 0; ; i++ { // 从wait list中取出等待的goroutine解锁
        old := m.state
        new := int32(0)
        if old == 0 {
            panic("sync: unlock of unlocked mutex")
        }
        if old < 0 {
            new = old + mutexLocked // 等待goroutine的状态改为G_RUNNABLE，准备继续执行
        }
        if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
            if old == mutexLocked {
                // unlock a locked mutex, no contention
                return
            }
            if new == 0 {
                // we've gone from a wait state to no wait state.
                // 从等待状态到非等待状态
                runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
            }
            return
        }
        if i < 4 || runtime_canSpin(i) {
            runtime.Gosched() // 让出CPU时间片
        } else {
            time.Sleep(time.Duration(rand.Int63n(1)+1) * time.Millisecond) // 防止饥饿
        }
    }
}

如果解锁的当前状态已经被其他的goroutine修改，则会重试，直到成功为止。

示例分析

下面两个示例，分别展示Mutex的使用及其在goroutine间的同步机制。

示例一

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var (
    x     int
    mutex sync.Mutex
)

func main() {
    fmt.Println("main start")

    go func() {
        mutex.Lock()
        fmt.Println("goroutine start")
        x += 1
        time.Sleep(time.Duration(2) * time.Second)
        fmt.Println("goroutine end")
        mutex.Unlock()
    }()

    time.Sleep(time.Duration(1) * time.Second)

    mutex.Lock()
    fmt.Println("main lock")
    x += 1
    fmt.Println("x:", x)
    mutex.Unlock()
    fmt.Println("main unlock")

    time.Sleep(time.Duration(3) * time.Second)
}

• 该示例中包含一个全局int类型变量x和一个Mutex类型的变量mutex。
• main goroutine先通过mutex锁住共享资源x，并对x进行自增操作，输出x的值。
• 然后，该goroutine在mutex锁住的状态下，调用了一个子goroutine，在其中对x进行自增操作，并输出一些信息。
• 子goroutine在两秒钟后自动释放了mutex的锁，main goroutine在三秒钟后也释放了mutex的锁。

运行结果如下：

main start
main lock
x: 1
main unlock
goroutine start
goroutine end

由于mutex被main goroutine锁定，子goroutine必须等待其释放锁之后才能访问共享资源x。在此示例中，我们可以清晰地看到Mutex的同步机制，确保了同一时刻只有一个goroutine正在使用共享资源x。

示例二

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

var wg sync.WaitGroup
var mutex sync.Mutex

func main() {
    wg.Add(2) // 添加两个goroutine

    go func() {
        mutex.Lock()
        defer mutex.Unlock()
        fmt.Println("goroutine 1 acquired lock")
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Println("goroutine 1 released lock")
        wg.Done()
    }()

    go func() {
        mutex.Lock()
        defer mutex.Unlock()
        fmt.Println("goroutine 2 acquired lock")
        time.Sleep(time.Second)
        fmt.Println("goroutine 2 released lock")
        wg.Done()
    }()

    wg.Wait()
    fmt.Println("main goroutine exit")
}

• 该示例中包含两个goroutine，均对mutex进行锁定和解锁操作，共享mutex保护的变量。
• 每个goroutine会先调用mutex的Lock方法获取互斥锁，并在调用启发式方法后，最终释放锁。

运行结果如下：

goroutine 1 acquired lock
goroutine 2 acquired lock
goroutine 1 released lock
goroutine 2 released lock
main goroutine exit

在该示例中，两个goroutine在几乎同时获取了mutex的锁，在mutex被其中一个goroutine释放之前，它们均处于等待状态。当一个goroutine释放了mutex的锁之后，另一个goroutine也才能获取到该锁，继而执行自己的逻辑。

总结

Mutex互斥锁是Golang中非常重要的并发控制方式，其底层实现是sync包。Mutex通过调用Lock、Unlock方法，实现了锁定和解锁等操作，使得同一时刻只有一个goroutine可以访问共享资源。Mutex的机制通过唤醒wait list中的等待goroutine，保证了goroutine之间的同步问题。通过本篇攻略的介绍，可以更好地理解Mutex的实现机制和运行原理。