Golang中sync.Mutex的源码分析

目录

• Mutex结构
• 常量
• Locker接口
• 加锁Lock
• Lock()
• lockSlow()
• 解锁Unlock
• Unlock
• unlockSlow

Mutex结构

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

• state 记录锁的状态，转换为二进制前29位表示等待锁的goroutine数量，后三位从左到右分别表示当前g 是否已获得锁、是否被唤醒、是否正饥饿
• sema 充当临界资源，其地址作为这个锁在全局的唯一标识，所有等待这个锁的goroutine都会在阻塞前把自己的sudog放到这个锁的等待队列上，然后等待被唤醒，sema的值就是可以被唤醒的goroutine的数目，只有0和1编程客栈。

常量

const (
	mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked  //值1，转二进制后三位为001，表示锁已被抢
	mutexWoken                                  //值2，转二进制后三位为010，告诉即将释放锁的g现在已有g被唤醒
	mutexStarving                               //值4，转二进制后三位为100，表示当前处在饥饿状态
	mutexWaiterShift = iota                     //值3，表示mutex.state右移3位为等待锁的goroutine数量
	starvationThresholdNs = 1e6                 //表示mutext切换到饥饿状态所需等待时间的阈值，1ms。
）

Locker接口

type Locker interface {
	Lock()
	Unlock()
}

下面重点看这两个方法。

加锁Lock

Lock()

func (m *Mutex) Lock() {
	// 第一种情况：快上锁，即此刻无人来抢锁
	if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
		if race.Enabled {  //竞争检测相关，不用看
			race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
		}
		return
	}
	// 第二种情况：慢上锁，即此刻有竞争对手
	m.lockSlow()
}

CompareAndSwapInt32(addr *int32, old, new int32) (swapped bool){}，go的CAS操作，底层通过调用cpu指令集提供的CAS指令实现，位置在src/runtime/internal/atomic/atomic_amd64.s/·Cas(SB)。

• 参数addr：变量地址
• 参数old：旧值
• 参数new：新值
• 原理：如果addr和old相等，则将new赋值给addr，并且返回true，否则返回false

lockSlow()

// 注释里的第一人称“我”只当前g
func (m *Mutex) lockSlow() {
	var waitStartTime int64	// 等待开始的时间
	starving := false		// 我是否饥饿
	awoke := false			// 我是否被唤醒
	iter := 0				// 我的自旋次数
	old := m.state			// 这个锁此时此刻所有的信息
	for {
		// 如果：锁已经被抢了 或着 正处在饥饿状态 或者 允许我自旋 那么进行自旋
		if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
			// 如果：我没有处在唤醒态 并且 当前无g处在唤醒态 并且
            // 有等待锁的g 并且CAS尝试将我置为唤醒态成功 则进行自旋
            // 之所以将我置为唤醒态是为了明示那些执行完毕正在退出的g不用再去唤醒其它g了，因为只允许存在一个唤醒的g。
			if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
				atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
				awoke = true
			}
			runtime_DOSpin()	// 我自旋一次
			iter++				// 我自旋次数加1
			old = m.state
			continue
		}
		new := old	// new只是个中间态，后面的cas操作将会判断是否将这个中间态落实
		// 如果不是处在饥饿模式就立即抢锁
		if old&mutexStarving == 0 {
			new |= mutexLocked
		}
        // 如果锁被抢了 或者 处在饥饿模式，那就去排队
		if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
			new += 1 << mutexWaiterShift	// 等待锁的goroutine数量加1
		}
		// 如果我现在饥渴难耐 而且 锁也被抢走了，那就立即将锁置为饥饿模式
		if starving && old&mutexLocked != 0 {
			new |= mutexStarving
		}
		if awoke {
			if new&mutexWoken == 0 {
				throw("sync: inconsistent mutex state")
			}
      编程客栈      // 释放我的唤醒态
            // 因为后面我要么抢到锁要么被阻塞，都不是处在和唤醒态
			new &^= mutexWoken
		}
        //此处CAS操作尝试将new这个中间态落实
		if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
			if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
				break // 抢锁成功！
			}
			// queueLifo我之前有没有排过队
			queueLifo := waitStartTime != 0
			if waitStartTime == 0 {
				waitStartTime = runtime_nanotime()
			}
            //原语：如果我之前排过队，这次就把我放到等待队列队首，否则把我放到队尾，并将我挂起
			runtime_SeMACquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1) 
            // 刚被唤醒的我先判断自己是不是饥饿了，如果我等待锁的时间小于starvationThresholdNs（1ms），那就不饿
			starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
			old = m.state
			if old&mutexStarving != 0 {
				// 我一觉醒来发觉锁正处在饥饿状态，苍天有眼这个锁属于我了，因为饥饿状态绝对没有人跟我抢锁
				if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
					throw("sync: inconsistent mutex state")
				}
                // delta是一个中间状态，atomic.AddInt32方法将给锁落实这个状态
				delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
	ZfSDvKRjr			if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
                    // 如果现在我不饥饿或者等待锁的就我一个，那么就将锁切换到正常状态。
                    // 饥饿模式效率很低，而且一旦有两个g把mutex切换为饥饿模式，那就会死锁。
					delta -= mutexStarving
				}
                // 原语：给锁落实delta的状态。
				atomic.AddInt32(&m.state, delta)
                // 我拿到锁啦
				break
			}
            // 把我的状态置为唤醒，我将继续去抢锁
			awoke = true
            // 把我的自旋次数置0，我又www.devze.com可以自旋抢锁啦
			iter = 0
		} else {
            // 继续去抢锁
			old = m.state
		}
	}

    // 竞争检测的代码，不管
	if race.Enabled {
		race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
	}
}

runtime_canSpin(iter) 判断当前g可否自旋，已经自旋过iter次

func sync_runtime_canSpin(i int) bool {
	// 可自旋的条件：
    // 1.多核cpu
    // 2.GOMAXPROCS > 1 且 至少有一个其他的p在运行 且 该p的本地runq为空
    // 3.iter小于最大自旋次数active_spin = 4
	if i >= active_spin || ncpu <= 1 || gomaxprocs <= int32(sched.npidle+sched.nmspinning)+1 {
  	return false
	}
  if p := getg().m.p.ptr(); !runqempty(p) {
		return false
	}
	return true
}

runtime_doSpin()通过调用procyield(n int32)方法来实现空耗CPU，n乃空耗CPU的次数。

//go:linkname sync_runtime_doSpin sync.runtime_doSpin
//go:nosplit
func sync_runtime_doSpin() {
	procyield(active_spin_cnt)
}

procyield(active_spin_cnt) 的底层通过执行PAUSE指令来空耗30个CPU时钟周期。

TEXT runtimeprocyield(SB),NOSPLIT,$0-0
	MOVL	cycles+0(FP), AX
again:
	PAUSE
	SUBL	$1, AX
	JNZ	again
	RET

runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1) 将当前g放到mutex的等待队列中去

//go:linkname sync_runtime_SemacquireMutex sync.runtime_SemacquireMutex
func sync_runtime_SemacquireMutex(addr *uint32, lifo bool, skipframes int) {
	semacquire1(addr, lifo, semablockProfile|semaMutexProfile, skipframes)
}

semacquire1(addr *uint32, lifo bool, profile semaProfileFlags, skipframes int) 若lifo为true，则把g放到等待队列队首，若lifo为false，则把g放到队尾

atomic.AddInt32(int32_t *val, int32_t delta) 原语：给t加上t_delta

uint32_t
AddUint32 (uint32_t *val, uint32_t delta)
{
  return __atomic_add_fetch (val, delta, __ATOMIC_SEQ_CST);
}

解锁Unlock

Unlock

func (m *Mutex) Unlock() {
	if race.Enabled {
		_ = m.state
		race.Release(unsafe.Pointer(m))
	}

	// 如果没有g在等待锁则立即释放锁
	new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
	iphpf new != 0 {
		// 如果还有g在等待锁，则在锁释放后需要做一点收尾工作。
		m.unlockSlow(new)
	}
}

unlockSlow

func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {
	if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
		throw("sync: unlock of unlocked mutex")
	}
    // 如果锁处在正常模式下
	if new&mutexStarving == 0 {
		old := new
		for {
			// 如果锁正处在正常模式下，同时 没有等待锁的g 或者 已经有g被唤醒了 或者 锁已经被抢了，就什么也不用做直接返回
			// 如果锁正处在饥饿模式下，也是什么也不用做直接返回
			if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
				return
			}
			// 给锁的唤醒标志位置1，表示已经有g被唤醒了，Mutex.state后三位010
			new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
			if atomic.CompareAndSwap开发者_Python入门Int32(&m.state, old, new) {
                // 唤醒锁的等待队列头部的一个g
                // 并把g放到p的funq尾部
				runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
				return
			}
			old = m.state
		}
	} else {
		// 锁处在饥饿模式下，直接唤醒锁的等待队列头部的一个g
		//因为在饥饿模式下没人跟刚被唤醒的g抢锁，所以不用设置锁的唤醒标志位
		runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
	}
}

runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1) 用来释放mutex等待队列上的一个g

//go:linkname sync_runtime_Semrelease sync.runtime_Semrelease
func sync_runtime_Semrelease(addr *uint32, handoff bool, skipframes int) {
	semrelease1(addr, handoff, skipframes)
}

semrelease1(addr, handoff, skipframes) 参数handoff若为true，则让被唤醒的g立刻继承当前g的时间片继续执行。若handoff为false，则把刚被唤醒的g放到当前p的runq中。

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