Go 中锁的那些姿势，估计你不知道（google）

Go 中锁的那些姿势，估计你不知道（google）

什么是锁，为什么使用锁

用俗语来说，锁意味着一种保护，对资源的一种保护，在程序员眼中，这个资源可以是一个变量，一个代码片段，一条记录，一张数据库表等等。

就跟小孩需要保护一样，不保护的话小孩会收到伤害，同样的使用锁的原因是资源不保护的话，可能会受到污染，在并发情况下，多个人对同一资源进行操作，有可能导致资源不符合预期的修改。

常见的锁的种类

锁的种类细分的话，非常多，主要原因是从不同角度看，对锁的定义不一样，我这里总结了一下，画一个思维脑图，大家了解一下。

我个人认为锁都可以归为一下四大类，其它的叫法不同只是因为其实现方式或者应用场景而得名，但本质上上还是下面的这四大类中一种。

其它各种类的锁总结如下，这些锁只是为了高性能，为了各种应用场景在代码实现上做了很多工作，因此而得名，关于他们的资料很多

更多锁的详细解释参考我 github 的名词描述，这里不在赘述，地址如下：

https://github.com/sunpengwei1992/java_common/tree/master/src/lock

Go 中的锁使用和实现分析

Go 的代码库中为开发人员提供了一下两种锁：

互斥锁 sync.Mutex

读写锁 sync.RWMutex

第一个互斥锁指的是在 Go 编程中，同一资源的锁定对各个协程是相互排斥的，当其中一个协程获取到该锁时，其它协程只能等待，直到这个获取锁的协程释放锁之后，其它的协程才能获取。

第二个读写锁依赖于互斥锁的实现，这个指的是当多个协程对某一个资源都是只读操作，那么多个协程可以获取该资源的读锁，并且互相不影响，但当有协程要修改该资源时就必须获取写锁，如果获取写锁时，已经有其它协程获取了读写或者写锁，那么此次获取失败，也就是说读写互斥，读读共享，写写互斥。

Go 中关于锁的接口定义如下：，该接口的实现就是上面的两个锁种类，篇幅有限，这篇文章主要是分析一下互斥锁的使用和实现，因为 RWMutex 也是基于 Mutex 的，大家可以参考文章自行学习一下。

type Locker interface {

Lock()

Unlock()

}

type Mutex struct {

state int32 //初始值默认为0

sema uint32 //初始值默认为0

}

Mutex 使用也非常的简单，，声明一个 Mutex 变量就可以直接调用 Lock 和 Unlock 方法了，如下代码实例，但使用的过程中有一些注意点，如下：

1.同一个协程不能连续多次调用 Lock, 否则发生死锁

2.锁资源时尽量缩小资源的范围，以免引起其它协程超长时间等待

3.mutex 传递给外部的时候需要传指针，不然就是实例的拷贝，会引起锁失败

4.善用 defer 确保在函数内释放了锁

5.使用 - race 在运行时检测数据竞争问题，go test -race ....，go build -race ....

6.善用静态工具检查锁的使用问题

7.使用 go-deadlock 检测死锁，和指定锁超时的等待问题 (自己百度工具用法)

8.能用 channel 的场景别使用成了 lock

var lock sync.Mutex

func MutexStudy(){

//获取锁

lock.Lock()

//业务逻辑操作

time.Sleep(1 * time.Second)

//释放锁

defer lock.Unlock()

}

我们了解了 Mutext 的使用和注意事项，那么具体原理是怎么实现的呢？运用到了那些技术，下面一起分析一下 Mutex 的实现原理。

Mutex 实现中有两种模式，1：正常模式，2：饥饿模式，前者指的是当一个协程获取到锁时，后面的协程会排队 (FIFO), 释放锁时会唤醒最早排队的协程，这个协程会和正在 CPU 上运行的协程竞争锁，但是大概率会失败，为什么呢？因为你是刚被唤醒的，还没有获得 CPU 的使用权，而 CPU 正在执行的协程肯定比你有优势，如果这个被唤醒的协程竞争失败，并且超过了 1ms，那么就会退回到后者 (饥饿模式)，这种模式下，该协程在下次获取锁时直接得到，不存在竞争关系，本质是为了防止协程等待锁的时间太长。

两种模式都了解了，我们再来分析一下几个核心常量，代码如下：

const (

mutexLocked = 1 << iota //1, 0001 最后一位表示当前锁的状态，0未锁，1已锁

mutexWoken //2, 0010，倒数第二位表示当前锁是否会被唤醒,0唤醒，1未唤醒

mutexStarving //4, 0100 倒数第三位表示当前对象是否为饥饿模式,0正常，1饥饿

mutexWaiterShift = iota //3 从倒数第四位往前的bit表示排队的gorouting数量

starvationThresholdNs = 1e6 // 饥饿的阈值：1ms

）

//Mutex中的变量，这里主要是将常量映射到state上面

state //0代表未获取到锁，1代表得到锁，2-2^31表示gorouting排队的数量的

sema //非负数的信号量，阻塞协程的依据

这几个变量你要是都弄白了，那么代码看起来就相对好理解一些了，整个 Lock 的源码较长，我将注释写入代码中，方便大家理解，整个锁的过程其实分为三部分，建议大家参考源码和我的注释一块学习。

直接获取锁，返回

自旋和唤醒

判断各种状态，特殊情况处理

第一部分代码如下，较为简单，获取锁成功之后直接返回

//对state进行cas修改操作，修改成功相当于获取锁，修改之后state=1

if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {

return

}

第二部分自旋的代码如下

//开始等待时间

var waitStartTime int64

//这几个变量含义依次是：是否饥饿，是否唤醒，自旋次数，锁的当前状态

starving := false；awoke := false；iter := 0；old := m.state

//进入死循环，直到获得锁成功(获得锁成功就是有别的协程释放锁了）

for {

//这个if的核心逻辑是判断：已经获得锁了并且不是饥饿模式 && 可以自旋，与cpu核数有关

if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {

//这个是判断：没有被唤醒 && 有排队等待的协程 && 尝试设置通知被唤醒

if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 && atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {

//说明上个协程此时已经unlock了，唤醒当前协程

awoke = true

}

//自旋一段时间

runtime_doSpin()

//自选次数加1

iter++

old = m.state

continue

}

}

第三部分代码，判断各种状态，特殊情况处理

new := old

//1：原协程已经unlock了，对new的修改为已锁

if old&mutexStarving == 0 {

new |= mutexLocked

}

//2：这里是执行完自旋或者没执行自旋（原协程没有unlock）

if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {

new += 1 << mutexWaiterShift //排队

}

//3：如果是饥饿模式，并且已锁的状态

if starving && old&mutexLocked != 0 {

new |= mutexStarving //设置new为饥饿状态

}

//4：上面的awoke被设置为true

if awoke {

//当前协程被唤醒了，肯定不为0

if new&mutexWoken == 0 {

throw("sync: inconsistent mutex state")

}

//既然当前协程被唤醒了，重置唤醒标志为0

new &^= mutexWoken

}

//修改state的值为new，但这里new的值会有四种情况，

//就是上面4个if情况对new做的修改，这一步获取锁成功

if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {

if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {

//这里代表的是正常模式获取锁成功

break

}

//下面的代码是判断是否从饥饿模式恢复正常模式

queueLifo := waitStartTime != 0

if waitStartTime == 0 {

waitStartTime = runtime_nanotime()

}

//进入阻塞状态

runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo)

//设置是否为饥饿模式，等待的时间大于1ms就是饥饿模式

starving=starving||runtime_nanotime()-waitStartTime> starvationThresholdNs

old = m.state

//如果当前锁是饥饿模式，但这个gorouting被唤醒

if old&mutexStarving != 0 {

if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {

throw("sync: inconsistent mutex state")

}

//减去当前锁的排队

delta := int32(mutexLocked - 1<

if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {

//退出饥饿模式

delta -= mutexStarving

}

//修改状态，终止

atomic.AddInt32(&m.state, delta)

break

}

}

//设置被唤醒

awoke = true

iter = 0

} else {

old = m.state

}

Lock 的源码我们弄明白了，那么 Unlock 呢，大家看代码的时候最好 Lock 和 Unlock 结合一起来看，因为他们是对同一变量 state 在操作

func (m *Mutex) Unlock() {

//释放锁

new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)

if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {

throw("sync: unlock of unlocked mutex")

}

//判断当前锁是否饥饿模式,==0代表不是

if new&mutexStarving == 0 {

old := new

for {

//如果没有未排队的协程 或者 有已经被唤醒，得到锁或饥饿的协程，则直接返回

if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {

return

}

//唤醒其它协程

new = (old - 1<

if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {

runtime_Semrelease(&m.sema, false)

return

}

old = m.state

}

} else {

//释放信号量

runtime_Semrelease(&m.sema, true)

}

}

到这里整个 Mutex 的源码分析完成，可以看到 Metux 的源码并不是很复杂，只是各种位运算让开发人员难以直接观察到结果值，另外阅读源码前一定要先明白各个变量和常量的含义，不然读起来非常费劲。

if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {

//退出饥饿模式

delta -= mutexStarving

}

//修改状态，终止

atomic.AddInt32(&m.state, delta)

break

}

}

//设置被唤醒

awoke = true

iter = 0

} else {

old = m.state

}

Lock 的源码我们弄明白了，那么 Unlock 呢，大家看代码的时候最好 Lock 和 Unlock 结合一起来看，因为他们是对同一变量 state 在操作

func (m *Mutex) Unlock() {

//释放锁

new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)

if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {

throw("sync: unlock of unlocked mutex")

}

//判断当前锁是否饥饿模式,==0代表不是

if new&mutexStarving == 0 {

old := new

for {

//如果没有未排队的协程 或者 有已经被唤醒，得到锁或饥饿的协程，则直接返回

if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {

return

}

//唤醒其它协程

new = (old - 1<

if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {

runtime_Semrelease(&m.sema, false)

return

}

old = m.state

}

} else {

//释放信号量

runtime_Semrelease(&m.sema, true)

}

}

到这里整个 Mutex 的源码分析完成，可以看到 Metux 的源码并不是很复杂，只是各种位运算让开发人员难以直接观察到结果值，另外阅读源码前一定要先明白各个变量和常量的含义，不然读起来非常费劲。

if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {

runtime_Semrelease(&m.sema, false)

return

}

old = m.state

}

} else {

//释放信号量

runtime_Semrelease(&m.sema, true)

}

}

到这里整个 Mutex 的源码分析完成，可以看到 Metux 的源码并不是很复杂，只是各种位运算让开发人员难以直接观察到结果值，另外阅读源码前一定要先明白各个变量和常量的含义，不然读起来非常费劲。

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