Go 互斥锁 Mutex 源码分析 (一)

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0. 前言

锁作为并发编程中的关键一环，是应该要深入掌握的。

1. 锁

1.1 示例

实现锁很简单，示例如下：

var global int  func main() { 	var mu sync.Mutex 	var wg sync.WaitGroup	  	for i := 0; i < 2; i++ { 		wg.Add(1) 		go func(i int) { 			defer wg.Done() 			mu.Lock() 			global++ 			mu.Unlock() 		}(i) 	}  	wg.Wait() 	fmt.Println(global) } 

输出：

2 

在 goroutine 中给全局变量 global 加锁，实现并发顺序增加变量。其中，sync.Mutex.Lock() 对变量/临界区加锁，sync.Mutex.Unlock() 对变量/临界区解锁。

1.2 sync.Mutex

我们看 sync.Mutex 互斥锁结构：

type Mutex struct { 	state int32 	sema  uint32 } 

其中，state 表示锁的状态，sema 表示信号量。

进入 sync.Mutex.Lock() 查看加锁的方法。

1.2.1 sync.Mutex.Lock()

func (m *Mutex) Lock() { 	// Fast path: grab unlocked mutex. 	if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { 		if race.Enabled { 			race.Acquire(unsafe.Pointer(m)) 		} 		return 	} 	// Slow path (outlined so that the fast path can be inlined) 	m.lockSlow() } 

首先进入 Fast path 逻辑，原子 CAS 操作比较锁状态 m.state 和 0，如果相等则更新当前锁为已加锁状态。这里锁标志位如下：

从低（右）到高（左）的三位表示锁状态/唤醒状态/饥饿状态：

const ( 	mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked 	mutexWoken 	mutexStarving ) 

标志位初始值为 0，1 表示状态生效。

前三位之后的位数表示排队等待锁的 goroutine 数目，总共可以允许 1<<(32-3) 个 goroutine 等待锁。

这里假设有两个 goroutine G1 和 G2 抢占锁，其中 G1 通过 Fast path 获取锁，将锁的状态置为 1。这时候 G2 未获得锁，进入 Slow path：

func (m *Mutex) lockSlow() { 	var waitStartTime int64 	starving := false 	awoke := false 	iter := 0 	old := m.state 	for { 		// step1: 进入自旋 		if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) { 			if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 && 				atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) { 				awoke = true 			} 			runtime_doSpin() 			iter++ 			old = m.state 			continue 		}          ...     } } 

Slow path 的代码量不大，但涉及状态转换很复杂，不容易看懂。这里拆成每个步骤，根据不同场景分析具体源码。

进入 Mutex.lockSlow()，初始化各个状态位，将当前锁状态赋给变量 old，进入 for 循环，执行第一步自旋逻辑。自旋会独占 CPU，让 CPU 空跑，但是减少了频繁切换 goroutine 带来的内存/时间消耗。如果使用的适当，会节省 CPU 开销，使用的不适当，会造成 CPU 浪费。这里进入自旋是很严苛的，通过三个条件判断能否自旋：

1. 当前锁是普通模式才能进入自旋。
2. runtime.sync_runtime_canSpin 需要返回 true：
   • 当前 goroutine 进入自旋的次数小于 4 次；
   • goroutine 运行在多 CPU 的机器上；
   • 当前机器上至少存在一个正在运行的处理器 P 并且处理的运行队列为空；

假设 G2 可以进入自旋，运行 runtime_doSpin()：

# src/runtime/lock_futex.go const active_spin_cnt = 30  # src/runtime/proc.go //go:linkname sync_runtime_doSpin sync.runtime_doSpin //go:nosplit func sync_runtime_doSpin() { 	procyield(active_spin_cnt) }  # src/runtime/asm_amd64.s TEXT runtime·procyield(SB),NOSPLIT,$0-0 	MOVL	cycles+0(FP), AX again: 	PAUSE 	SUBL	$1, AX 	JNZ	again 	RET 

自旋实际上是 CPU 执行了 30 次 PAUSE 指令。

自旋是在等待，等待锁释放的过程。假设在自旋期间 G1 已释放锁，更新 m.state 为 0。那么，在 G2 自旋逻辑中 old = m.state 将更新 old 为 0。继续往下看，for 循环中做了什么。

func (m *Mutex) lockSlow() { 	... 	for {         if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) { 			... 		}          // step2: 更新 new，这里 new 为 0         new := old  		// step2: 继续更新 new         // -      如果锁为普通锁，更新锁状态为已锁。如果锁为饥饿锁，跳过饥饿锁更新。         // -      这里更新锁为 1 		if old&mutexStarving == 0 { 			new |= mutexLocked 		}          // step2：继续更新 new         // -      如果锁为已锁或饥饿的任何一种，则更新 new 的 goroutine 排队等待位         // -      这里锁为已释放，new 为 1 		if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 { 			new += 1 << mutexWaiterShift 		}          // step2: 继续更新 new         // -      如果 goroutine 处于饥饿状态，并且当前锁是已锁的，更新 new 为饥饿状态         // -      这里锁为已释放，new 为 1         if starving && old&mutexLocked != 0 { 			new |= mutexStarving 		}          // step2: 继续更新 new         // -      如果当前 goroutine 是唤醒的，重置唤醒位为 0         // -      goroutine 不是唤醒的，new 为 1         if awoke { 			// The goroutine has been woken from sleep, 			// so we need to reset the flag in either case. 			if new&mutexWoken == 0 { 				throw("sync: inconsistent mutex state") 			} 			new &^= mutexWoken 		}          // step3: CAS 比较 m.state 和 old，如果一致则更新 m.state 到 new         // -      这里 m.state = 0，old = 0，new = 1         // -      更新 m.state 为 new，当前 goroutine 获得锁         if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {             // 如果更新锁之前的状态不是饥饿或已锁，表示当前 goroutine 已获得锁，跳出循环。 			if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 { 				break // locked the mutex with CAS 			}             ...         }     } } 

这里将自旋后的逻辑简化为两步，更新锁的期望状态 new 和通过原子 CAS 操作更新锁。这里的场景不难，我们可以简化上述流程为如下示意图：

2. 小结

本文介绍了 Go 互斥锁的基本结构，并且给出一个抢占互斥锁的基本场景，通过场景从源码角度分析互斥锁。

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