Golang Mutex实现互斥的具体方法
作者:动态一时爽,重构火葬场
Mutex是Golang常见的并发原语,不仅在开发过程中经常使用到,如channel这种具有golang特色的并发结构也依托于Mutex从而实现
type Mutex struct { // 互斥锁的状态,比如是否被锁定 state int32 // 表示信号量。堵塞的协程会等待该信号量,解锁的协程会释放该信号量 sema int32 }
const ( // 当前是否已经上锁 mutexLocked = 1 << iota // 1 // 当前是否有唤醒的goroutine mutexWoken // 2 // 当前是否为饥饿状态 mutexStarving // 4 // state >> mutexWaiterShift 得到等待者数量 mutexWaiterShift = iota // 3 starvationThresholdNs = 1e6 // 判断是否要进入饥饿状态的阈值 )
Mutex有正常饥饿模式。
- 正常模式:等待者会入队,但一个唤醒的等待者不能持有锁,以及与新到来的goroutine进行竞争。新来的goroutine有一个优势——他们已经运行在CPU上。
超过1ms没有获取到锁,就会进入饥饿模式 - 饥饿模式:锁的所有权直接移交给队列头goroutine,新来的goroutine不会尝试获取互斥锁,即使互斥锁看起来已经解锁,也不会尝试旋转。相反,他们自己排在等待队列的末尾。
若等待者是最后一个,或者等待小于1ms就会切换回正常模式
获取锁
未锁——直接获取
func (m *Mutex) Lock() { // 快路径。直接获取未锁的mutex // 初始状态为0,所以只要状态存在其他任何状态位都是无法直接获取的 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() }
在不饥饿且旋的不多的情况下,尝试自旋
// 只要原状态已锁且不处于饥饿状态,并满足自旋条件 if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) { // 在当前goroutine没有唤醒,且没有其他goroutine在尝试唤醒,且存在等待的情况下,cas标记存在goroutine正在尝试唤醒。若标记成功就设置当前goroutine已经唤醒了 if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 && atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) { awoke = true } // 自旋 runtime_doSpin() // 自旋次数加一 iter++ // 更新原状态 old = m.state continue }
具体的自旋条件如下
- 自旋次数小于4
- 多核CPU
- p数量大于1
- 至少存在一个p的队列为空
const ( locked uintptr = 1 active_spin = 4 active_spin_cnt = 30 passive_spin = 1 ) func sync_runtime_canSpin(i int) bool { // sync.Mutex is cooperative, so we are conservative with spinning. // Spin only few times and only if running on a multicore machine and // GOMAXPROCS>1 and there is at least one other running P and local runq is empty. // As opposed to runtime mutex we don't do passive spinning here, // because there can be work on global runq or on other Ps. 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 }
自旋究竟在做什么呢?
自旋是由方法runtime_doSpin()执行的,实际调用了procyield()
# 定义了一个runtime.procyield的文本段,通过NOSPLIT不使用栈分裂,$0-0 表示该函数不需要任何输入参数和返回值 TEXT runtime·procyield(SB),NOSPLIT,$0-0 # 从栈帧中读取cycles参赛值,并储存在寄存器R0中 MOVWU cycles+0(FP), R0 # 组成无限循环。在每次循环中,通过YIELD告诉CPU将当前线程置于休眠状态 # YIELD: x86上,实现为PAUSE指令,会暂停处理器执行,切换CPU到低功耗模式并等待更多数据到达。通常用于忙等待机制,避免无谓CPU占用 # ARM上,实现为WFE(Wait For Event),用于等待中断或者其他事件发生。在某些情况下可能会导致CPU陷入死循环,因此需要特殊处理逻辑解决 again: YIELD # 将R0值减1 SUBW $1, R0 # CBNZ(Compare and Branch on Non-Zero)检查剩余的时钟周期数是否为0。不为0就跳转到标签again并再次调用YIELD,否则就退出函数 CBNZ R0, again RET
以上汇编代码分析过程感谢chatgpt的大力支持
从代码中可以看到自旋次数是30次
const active_spin_cnt = 30 func sync_runtime_doSpin() { procyield(active_spin_cnt) }
计算期望状态
1.原状态不处于饥饿状态,新状态设置已锁状态位
原状态处于已锁状态或饥饿模式,新状态设置等待数量递增
当前goroutine是最新获取锁的goroutine,在正常模式下期望就是要获取锁,那么就应该设置新状态已锁状态位
如果锁已经被抢占了,或者处于饥饿模式,那么就应该去排队
2.若之前尝试获取时已经超过饥饿阈值时间,且原状态已锁,那么新状态设置饥饿状态位
3.若goroutine处于唤醒,则新状态清除正在唤醒状态位
期望是已经获取到锁了,那么自然要清除正在获取的状态位
new := old // Don't try to acquire starving mutex, new arriving goroutines must queue. // 若原状态不处于饥饿状态,就给新状态设置已加锁 if old&mutexStarving == 0 { new |= mutexLocked } // 只要原状态处于已锁或者饥饿模式,就将新状态等待数量递增 if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 { new += 1 << mutexWaiterShift } // 若已经等待超过饥饿阈值时间且原状态已锁,就设置新状态为饥饿 // 这也意味着如果已经不处于已锁状态,就可以切换回正常模式了 if starving && old&mutexLocked != 0 { new |= mutexStarving } // 如果已经唤醒了(也就是没有其他正在抢占的goroutine),则在新状态中清除正在唤醒状态位 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 }
尝试达成获取锁期望
cas尝试从原状态更新为新的期望状态
如果失败,则更新最新状态,继续尝试获取锁
说明这期间锁已经被抢占了
若原来既没有被锁住,也没有处于饥饿模式,那么就获取到锁,直接返回
排队。若之前已经在等待了就排到队列头
获取信号量。此处会堵塞等待
被唤醒,认定已经持有锁。并做以下饥饿相关处理
- 计算等待时长,若超出饥饿阈值时间,就标记当前goroutine处于饥饿
- 若锁处于饥饿模式,递减等待数量,并且在只有一个等待的时候,切换锁回正常模式
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) { // 如果原状态既没有处于已锁状态,也没有处于饥饿模式 // 那么就表示已经获取到锁,直接退出 if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 { break // locked the mutex with CAS } // 若已经在等待了,就排到队列头 queueLifo := waitStartTime != 0 if waitStartTime == 0 { waitStartTime = runtime_nanotime() } // 尝试获取信号量。此处获取一个信号量以实现互斥 // 此处会进行堵塞 runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1) // 被信号量唤醒之后,发现若等待时间超过饥饿阈值,就切换到饥饿模式 starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs old = m.state // 处于饥饿模式下 if old&mutexStarving != 0 { // If this goroutine was woken and mutex is in starvation mode, // ownership was handed off to us but mutex is in somewhat // inconsistent state: mutexLocked is not set and we are still // accounted as waiter. Fix that. // 若既没有已锁且正在尝试唤醒,或者等待队列为空,就代表产生了不一致的状态 if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 { throw("sync: inconsistent mutex state") } // 当前goroutine已经获取锁,等待队列减1;若等待者就一个,就切换正常模式。退出 delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift) if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 { delta -= mutexStarving } atomic.AddInt32(&m.state, delta) break } // 不处于饥饿模式下,设置当前goroutine为唤醒状态,重置自璇次数,继续尝试获取锁 awoke = true iter = 0 } else { // 若锁被其他goroutine占用了,就更新原状态,继续尝试获取锁 old = m.state }
考虑几种场景
- 如果lock当前只有一个goroutine g1去获取锁,那么会直接快路径,cas更新已锁状态位,获取到锁
- 如果锁已经被g1持有,
- 此时g2会先自旋4次,
- 然后计算期望状态为已锁、等待数量为1、唤醒状态位被清除
- 在cas更新的时候尝试更新锁状态成功,接着因为原状态本身处于已锁,所以就不能获取到锁,只能排队,信号量堵塞
- g1释放锁后,g2被唤醒,接着再次计算期望状态,并cas更新状态成功,直接获取到锁
- 如果锁已经被g1持有,且g2在第一次尝试获取时超过了1ms(也就是饥饿阈值),那么
- 计算期望状态为已锁、饥饿、清除唤醒状态位
- cas更新状态成功,排在队列头,并被信号量堵塞
- g1释放锁后,g2被唤醒就直接获取到锁,并减去排队数量以及清空饥饿位
释放锁
只有已锁——直接释放
如果没有排队的goroutine,没有处于饥饿状态,也没有真正尝试获取锁的goroutine,那么就可以直接cas更新状态为0
func (m *Mutex) Unlock() { // Fast path: drop lock bit. new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked) if new != 0 { // Outlined slow path to allow inlining the fast path. // To hide unlockSlow during tracing we skip one extra frame when tracing GoUnblock. m.unlockSlow(new) } }
慢释放
- 如果原锁没有被锁住,就报错
- 若原状态不处于饥饿状态,尝试唤醒等待者
- 若现在锁已经被获取、正在获取、饥饿或者没有等待者,直接返回
- 期望状态等待数量减1,并设置正在唤醒状态位
- cas尝试更新期望状态,若成功,释放
- 失败说明在这过程中又有goroutine在尝试获取,那么继续下一轮释放
- 处于饥饿状态,直接释放信号量,移交锁所有权
func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) { // 若原状态根本没有已锁状态位 if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 { throw("sync: unlock of unlocked mutex") } // 若原状态不处于饥饿状态 if new&mutexStarving == 0 { old := new for { // 若没有等待,或者存在goroutine已经被唤醒,或者已经被锁住了,就不需要唤醒任何人,返回 if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 { return } // Grab the right to wake someone. // 设置期望状态为正在获取状态位,并减去一个等待者 new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken // 尝试cas更新为期望新状态,若成功就释放信号量,失败就更新原状态,进行下一轮释放 // 失败说明在这过程中又有goroutine在尝试获取,比如已经获取到了、变成饥饿了、自旋等 if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) { runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1) return } old = m.state } } else { // 饥饿模式下就移交锁所有权给下一个等待者,并放弃时间片,以便该等待者可以快速开始 runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1) } }
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