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Golang Mutex互斥鎖深入理解

 更新時(shí)間:2022年08月02日 09:03:36   作者:酒紅  
這篇文章主要為大家介紹了Golang Mutex互斥鎖深入理解,有需要的朋友可以借鑒參考下,希望能夠有所幫助,祝大家多多進(jìn)步,早日升職加薪

引言

Golang的并發(fā)編程令人著迷,使用輕量的協(xié)程、基于CSP的channel、簡(jiǎn)單的go func()就可以開(kāi)始并發(fā)編程,在并發(fā)編程中,往往離不開(kāi)鎖的概念。

本文介紹了常用的同步原語(yǔ) sync.Mutex,同時(shí)從源碼剖析它的結(jié)構(gòu)與實(shí)現(xiàn)原理,最后簡(jiǎn)單介紹了mutex在日常使用中可能遇到的問(wèn)題,希望大家讀有所獲。

Mutex結(jié)構(gòu)

Mutex運(yùn)行時(shí)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)位于sync/mutex.go

type Mutex struct {
   state int32
   sema  uint32
}

其中state表示當(dāng)前互斥鎖的狀態(tài),sema表示 控制鎖狀態(tài)的信號(hào)量.

互斥鎖的狀態(tài)定義在常量中:

const (
   mutexLocked = 1 << iota // 1 ,處于鎖定狀態(tài); 2^0
   mutexWoken // 2 ;從正常模式被從喚醒;  2^1
   mutexStarving // 4 ;處于饑餓狀態(tài);    2^2
   mutexWaiterShift = iota // 3 ;獲得互斥鎖上等待的Goroutine個(gè)數(shù)需要左移的位數(shù): 1 << mutexWaiterShift
   starvationThresholdNs = 1e6 // 鎖進(jìn)入饑餓狀態(tài)的等待時(shí)間
)

0即其他狀態(tài)。

sema是一個(gè)組合,低三位分別表示鎖的三種狀態(tài),高29位表示正在等待互斥鎖釋放的gorountine個(gè)數(shù),和Java表示線程池狀態(tài)那部分有點(diǎn)類(lèi)似

一個(gè)mutex對(duì)象僅占用8個(gè)字節(jié),讓人不禁感嘆其設(shè)計(jì)的巧妙

饑餓模式和正常模式

正常模式

在正常模式下,等待的協(xié)程會(huì)按照先進(jìn)先出的順序得到鎖 在正常模式下,剛被喚醒的goroutine與新創(chuàng)建的goroutine競(jìng)爭(zhēng)時(shí),大概率無(wú)法獲得鎖。

饑餓模式

為了避免正常模式下,goroutine被“餓死”的情況,go在1.19版本引入了饑餓模式,保證了Mutex的公平性

在饑餓模式中,互斥鎖會(huì)直接交給等待隊(duì)列最前面的goroutine。新的goroutine 在該狀態(tài)下不能獲取鎖、也不會(huì)進(jìn)入自旋狀態(tài),它們只會(huì)在隊(duì)列的末尾等待。

狀態(tài)的切換

在正常模式下,一旦Goroutine超過(guò)1ms沒(méi)有獲取到鎖,它就會(huì)將當(dāng)前互斥鎖切換饑餓模式

如果一個(gè)goroutine 獲得了互斥鎖并且它在隊(duì)列的末尾或者它等待的時(shí)間少于 1ms,那么當(dāng)前的互斥鎖就會(huì)切換回正常模式。

加鎖和解鎖

加鎖

func (m *Mutex) Lock() {
   // Fast path: grab unlocked mutex.
   if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
      return
   }
   // 原注釋?zhuān)?Slow path (outlined so that the fast path can be inlined)
   // 將
   m.lockSlow()
}

可以看到,當(dāng)前互斥鎖的狀態(tài)為0時(shí),嘗試將當(dāng)前鎖狀態(tài)設(shè)置為更新鎖定狀態(tài),且這些操作是原子的。

若當(dāng)前狀態(tài)不為0,則進(jìn)入lockSlow方法
先定義了幾個(gè)參數(shù)

var waitStartTime int64
starving := false // 
awoke := false
iter := 0
old := m.state

隨后進(jìn)入一個(gè)很大的for循環(huán),讓我們來(lái)逐步分析

自旋

for {
     // 1 && 2 
   if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
      //  3. 
      if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
         atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
         awoke = true
      }
      runtime_doSpin()
      iter++
      old = m.state
      continue
   }

old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked

當(dāng)且僅當(dāng)當(dāng)前鎖狀態(tài)為mutexLocked時(shí),表達(dá)式為true

runtime_canSpin(iter) 是否滿(mǎn)足自旋條件

  • 運(yùn)行在擁有多個(gè)CPU的機(jī)器上;
  • 當(dāng)前Goroutine為了獲取該鎖進(jìn)入自旋的次數(shù)小于四次;
  • 當(dāng)前機(jī)器上至少存在一個(gè)正在運(yùn)行的處理器 P,并且處理的運(yùn)行隊(duì)列為空;

如果當(dāng)前狀態(tài)下自旋是合理的,將awoke置為true,同時(shí)設(shè)置鎖狀態(tài)為mutexWoken,進(jìn)入自旋邏輯

runtime_doSpin()會(huì)執(zhí)行30次PAUSE指令,并且僅占用CPU資源 代碼位于:runtime\asm_amd64.s +567

//go:linkname sync_runtime_doSpin sync.runtime_doSpin
//go:nosplit
func sync_runtime_doSpin() {
   procyield(active_spin_cnt)
}
TEXT runtime·procyield(SB),NOSPLIT,$0-0
    MOVL    cycles+0(FP), AX
again:
    PAUSE 
    SUBL    $1, AX
    JNZ again
    RET

計(jì)算鎖的新?tīng)顟B(tài)

停止了自旋后,

new := old
// 1. 
if old&mutexStarving == 0 {
   new |= mutexLocked
}
// 2.
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
   new += 1 << mutexWaiterShift
}
// 3 && 4. 
if starving && old&mutexLocked != 0 {
   new |= mutexStarving
}
// 5. 
if awoke {
   if new&mutexWoken == 0 {
      throw("sync: inconsistent mutex state")
   }
   new &^= mutexWoken
}
  • old&mutexStarving == 0 表明原來(lái)不是饑餓模式。如果是饑餓模式的話(huà),其他goroutine不會(huì)執(zhí)行接下來(lái)的代碼,直接進(jìn)入等待隊(duì)列隊(duì)尾
  • 如果原來(lái)是 mutexLocked 或者 mutexStarving模式,waiterCounts數(shù)加一
  • 如果被標(biāo)記為饑餓狀態(tài),且鎖狀態(tài)為mutexLocked的話(huà),設(shè)置鎖的新?tīng)顟B(tài)為饑餓狀態(tài)。
  • 被標(biāo)記為饑餓狀態(tài)的前提是 被喚醒過(guò)且搶鎖失敗
  • 計(jì)算新?tīng)顟B(tài)

更新鎖狀態(tài)

// 1.
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
      if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
         break // locked the mutex with CAS
      }
      // 2. 
      queueLifo := waitStartTime != 0
      if waitStartTime == 0 {
         waitStartTime = runtime_nanotime()
      }
      // 3.
      runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)
      // 4.
      starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
      old = m.state
      // 5.
      if old&mutexStarving != 0 {
         /
         if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
            throw("sync: inconsistent mutex state")
         }
         delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
         if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
            delta -= mutexStarving
         }
         atomic.AddInt32(&m.state, delta)
         break
      }
      awoke = true
      iter = 0
   } else {
      old = m.state
   }
}
  • 嘗試將鎖狀態(tài)設(shè)置為new 。這里設(shè)置成功不代表上鎖成功,有可能new不為mutexLocked 或者是waiterCount數(shù)量的改變
  • waitStartTime不為0 說(shuō)明當(dāng)前goroutine已經(jīng)等待過(guò)了,將當(dāng)前goroutine放到等待隊(duì)列的隊(duì)頭
  • 走到這里,會(huì)調(diào)用runtime_SemacquireMutex 方法使當(dāng)前協(xié)程阻塞,runtime_SemacquireMutex方法中會(huì)不斷嘗試獲得鎖,并會(huì)陷入休眠 等待信號(hào)量釋放。
  • 當(dāng)前協(xié)程可以獲得信號(hào)量,從runtime_SemacquireMutex方法中返回。此時(shí)協(xié)程會(huì)去更新starving標(biāo)志位:如果當(dāng)前starving標(biāo)志位為true或者等待時(shí)間超過(guò)starvationThresholdNs ,將starving置為true

之后會(huì)按照饑餓模式與正常模式,走不同的邏輯

  • - 在正常模式下,這段代碼會(huì)設(shè)置喚醒和饑餓標(biāo)記、重置迭代次數(shù)并重新執(zhí)行獲取鎖的循環(huán);  
  • - 在饑餓模式下,當(dāng)前 Goroutine 會(huì)獲得互斥鎖,如果等待隊(duì)列中只存在當(dāng)前 Goroutine,互斥鎖還會(huì)從饑餓模式中退出;

解鎖

func (m *Mutex) Unlock() {
   // 1.
   new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
   if new != 0 {
      // 2. 
      m.unlockSlow(new)
   }
}
  • 將鎖狀態(tài)的值增加 -mutexLocked 。如果新?tīng)顟B(tài)不等于0,進(jìn)入unlockSlow方法
func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {
    // 1. 
   if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
      throw("sync: unlock of unlocked mutex")
   }
   if new&mutexStarving == 0 {
      old := new
      for {
      // 2.
         if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
            return
         }
         // 2.1.
         new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
         if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
         // 2.2.
            runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
            return
         }
         old = m.state
      }
   } else {
   // 3.
      runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
   }
}

1.new+mutexLocked代表將鎖置為1,如果兩個(gè)狀態(tài)& 不為0,則說(shuō)明重復(fù)解鎖.如果重復(fù)解鎖則拋出panic

2. 如果等待者數(shù)量等于0,或者鎖的狀態(tài)已經(jīng)變?yōu)閙utexWoken、mutexStarving、mutexStarving,則直接返回

  • 將waiterCount數(shù)量-1,嘗試選擇一個(gè)goroutine喚醒
  • 嘗試更新鎖狀態(tài),如果更新鎖狀態(tài)成功,則喚醒隊(duì)尾的一個(gè)gorountine

3. 如果不滿(mǎn)足 2的判斷條件,則進(jìn)入饑餓模式,同時(shí)交出鎖的使用權(quán)

可能遇到的問(wèn)題

鎖拷貝

mu1 := &sync.Mutex{}
mu1.Lock()
mu2 := mu1
mu2.Unlock()

此時(shí)mu2能夠正常解鎖,那么我們?cè)僭囋嚱怄imu1

mu1 := &sync.Mutex{}
mu1.Lock()
mu2 := mu1
mu2.Unlock()
mu1.Unlock()

可以看到發(fā)生了error

panic導(dǎo)致沒(méi)有unlock

當(dāng)lock()之后,可能由于代碼問(wèn)題導(dǎo)致程序發(fā)生了panic,那么mutex無(wú)法被及時(shí)unlock(),由于其他協(xié)程還在等待鎖,此時(shí)可能觸發(fā)死鎖

func TestWithLock() {
   nums := 100
   wg := &sync.WaitGroup{}
   safeSlice := SafeSlice{
      s:    []int{},
      lock: new(sync.RWMutex),
   }
   i := 0
   for idx := 0; idx < nums; idx++ { // 并行nums個(gè)協(xié)程做append
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer func() {
            if r := recover(); r != nil {
               log.Println("recover")
            }
            wg.Done()
         }()
         safeSlice.lock.Lock()
         safeSlice.s = append(safeSlice.s, i)
         if i == 98{
            panic("123")
         }
         i++
         safeSlice.lock.Unlock()
      }()
   }
   wg.Wait()
   log.Println(len(safeSlice.s))
}

修改:

func TestWithLock() {
   nums := 100
   wg := &sync.WaitGroup{}
   safeSlice := SafeSlice{
      s:    []int{},
      lock: new(sync.RWMutex),
   }
   i := 0
   for idx := 0; idx < nums; idx++ { // 并行nums個(gè)協(xié)程做append
      wg.Add(1)
      go func() {
         defer func() {
            if r := recover(); r != nil {
            }
            safeSlice.lock.Unlock()
            wg.Done()
         }()
         safeSlice.lock.Lock()
         safeSlice.s = append(safeSlice.s, i)
         if i == 98{
            panic("123")
         }
         i++
      }()
   }
   wg.Wait()
   log.Println(len(safeSlice.s))
}

以上就是Golang Mutex互斥鎖深入理解的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于Golang Mutex互斥鎖的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!

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