go-sync-mutex-编程知识

Sync

Go 语言作为一个原生支持用户态进程（Goroutine）的语言，当提到并发编程、多线程编程时，往往都离不开锁这一概念。锁是一种并发编程中的同步原语（Synchronization Primitives），它能保证多个 Goroutine 在访问同一片内存时不会出现竞争条件（Race condition）等问题。

通过atomic.CompareAndSwapInt32调用汇编CAS(compare and swap)指令的原子性来实现临界区的互斥访问，保证只有一个协程获取到锁

当其中一个 goroutine 获得了这个锁，其他 goroutine 尝试获取这个锁时将会被阻塞，直到持有锁的 goroutine 释放锁为止。

Go 语言在 sync 包中提供了用于同步的一些基本原语，包括常见的 sync.Mutex、sync.RWMutex、sync.WaitGroup、sync.Once 和 sync.Cond：

!Mutex互斥锁

Go 语言的 sync.Mutex 由两个字段 state 和 sema 组成。其中 state 表示当前互斥锁的状态，而 sema 是用于控制锁状态的信号量。

type Mutex struct {state int32sema uint32		// 指针地址 0xF，存着结构体的地址
}

Mutex.state

状态字段

int32类型的state代表：

locked：锁状态 1被锁 0未被锁
woken：1是否有goroutine模式被唤醒，0未被唤醒
starving：1进入饥饿模式，0正常模式
其他位：代表获取锁的等待队列中的协程数，state是int32类型，说明是32bit，其余位是32-3 bits，所以最大排队协程数就是2^(32-3)

锁模式

正常模式：队头和新协程的抢占，未抢占到的扔到队尾
饥饿模式：按顺序获取锁，不得插队，防止队尾一直阻塞等待

正常模式

在正常模式下获取锁：

多线程下竞争锁，获取成功返回，修改sync.Mutex结构体字段。获取失败，自旋等待其他线程释放锁，4次之后仍然拿不到锁，goroutine加入到等待队列尾部，状态改成_GWaiting
获取到锁的线程释放锁，从等待队列头部唤醒一个Goroutine，状态改成_Grunning，他会和新创建并且获取锁的新goroutine（M正在运行的g_Grunning）争抢锁。
1. 如果被唤醒的G仍然未能抢到锁，goroutine加入到等待队列头部，状态改成_GWaiting
2. 如果被唤醒的G抢到锁，新创建的G相当于重新进入1步骤

饥饿模式

在饥饿模式下获取锁：

互斥锁会直接交给等待队列最前面的 Goroutine。新的 Goroutine 在该状态下不能获取锁、也不会进入自旋状态，它们只会在队列的末尾等待。如果一个 Goroutine 获得了互斥锁并且它在队列的末尾或者它等待的时间少于 1ms，那么当前的互斥锁就会切换回正常模式。

锁模型切换

正常模式切换到饥饿模式：被唤醒的 Goroutine 超过 1ms 没有获取到锁，它就会将当前互斥锁切换饥饿模式，防止部分 Goroutine 被『饿死』。
饥饿模式换到正常模式切：
- 一个 Goroutine 获得了互斥锁并且它在队列的末尾，说明没有协程在竞争了，切换到正常模式
- 被唤醒的 Goroutine 获得锁没超过 1ms ，切换到正常模式

Mutex.Sema

控制锁状态的信号量(互斥信号量)

// runtime/sema.go
type semaRoot struct {lock  mutextreap *sudog // 锁抢占者的 平衡树的根nwait uint32 // 抢占锁的goroutine的数量
}

互斥锁加锁/解锁

func (m *Mutex) Lock()：Lock方法锁住m，如果m已经加锁，则阻塞直到m解锁。

func (m *Mutex) Lock() {// 未锁状态，获取锁returnif 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()
}func (m *Mutex) lockSlow() {var waitStartTime int64	// 协程抢占锁时间，时间超出，锁变成饥饿模式starving := falseawoke := falseiter := 0old := m.statefor {// 锁住状态下 and 不是饥模式 and 在可自旋次数下 进入if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {// awoke标记是false and 锁非唤醒状态 and 锁的等待者大于0  // 满足这些条件，把锁变成唤醒状态// awoke flag标记成trueif !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {awoke = true}// 自旋 汇编runtime_doSpin()// 累计自选次数iter++// 把唤醒状态 覆盖 oldold = m.statecontinue}// 可能其他协程更改了锁状态：改成了`未锁住状态` // 以下操作就有AB两种情况// A情况： 锁住状态 且 饥饿模式 （自旋次数超过4次）// B情况： 未锁住//拿到最新锁状态new := old// old不是饥饿模式（排除A情况），那是B情况，把new设置成锁状态if old&mutexStarving == 0 {new |= mutexLocked}// old 是 锁住状态 或 是饥饿模式。// 等待数+1 (当前协程加入等待)if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {new += 1 << mutexWaiterShift}// 饥饿标识非空 and old是锁住状态。 (第一次进入 且 A情况)// new设置成饥饿状态if starving && old&mutexLocked != 0 {new |= mutexStarving}// awoke标识是 唤醒状态if awoke {// new不是唤醒状态，锁标识不对，panicif new&mutexWoken == 0 {throw("sync: inconsistent mutex state")}// &^ 想异的位保留，相同的位清0。 非唤醒状态 变成 唤醒， 唤醒状态下变成非唤醒new &^= mutexWoken}// 此时new的3个字段状态 : 锁住，饥饿，唤醒状态未知// 如果状态没有被其他协程改变，状态更改成newif atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {// 如果状态是非锁住 and 非饥饿模式 // compareAndSwapInt32已经改成锁住,break forif old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {break // locked the mutex with CAS}// 设置排队者的开始等待时间queueLifo := waitStartTime != 0if waitStartTime == 0 {waitStartTime = runtime_nanotime()}// 信号量设置，阻塞等待(信号量的P操作，协程间通信)runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)// 标记 饥饿标识， 如果是饥饿标识是true 或者 大于饥饿阈值 starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs// 获取最新锁状态，虽然前面compareAndSwap已经改成了m.state : 锁住，饥饿，唤醒状态未知。但是前面阻塞有可能其他协程更改了状态old = m.state// 锁是饥饿模式if old&mutexStarving != 0 {// 锁是 锁住状态 或者 唤醒状态 或者 等待者为0个时// 抛出if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {throw("sync: inconsistent mutex state")}// delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)// 非贪婪模式 或则 等待者为1时if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {delta -= mutexStarving}atomic.AddInt32(&m.state, delta)break}awoke = trueiter = 0} else {old = m.state}}if race.Enabled {race.Acquire(unsafe.Pointer(m))}
}

func (m *Mutex) Unlock()：Unlock方法解锁m，如果m未加锁会导致运行时错误。锁和线程无关，可以由不同的线程加锁和解锁。

func (m *Mutex) Unlock() {if race.Enabled {_ = m.staterace.Release(unsafe.Pointer(m))}// 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)}
}func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {throw("sync: unlock of unlocked mutex")}if new&mutexStarving == 0 {old := newfor {if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {return}// Grab the right to wake someone.new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWokenif atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)return}old = m.state}} else {// 信号量中的V操作runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)}
}

信号量：信号量有两种原子操作，他们必须成对出现
P操作：信号量减1，当信号量 <0 ，表明资源被占用，进程阻塞。当信号量>=0，表明资源被释放(可用)，进程可继续执行
V操作：信号量加1，当信号量<=0时，代表有阻塞中进程。当信号量>0，表明没有阻塞中进程，无需操作
互斥信号量，默认值为1
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example

import "sync"func main() {m := sync.Mutex{}go user1(&m)go user2(&m)signalChan := make(chan os.Signal, 1)signal.Notify(signalChan, os.Interrupt)select {case <-signalChan:fmt.Println("catch interrupt signal")break}
}func printer(str string, m *sync.Mutex) {m.Lock()         //加锁defer m.Unlock() //解锁for _, ch := range str {fmt.Printf("%c", ch)time.Sleep(time.Millisecond * 1)}
}
func user1(m *sync.Mutex) {printer("hello ", m)
}
func user2(m *sync.Mutex) {printer("world", m)
}//打印结果
worldhello 或者 helloworld: 两个单词是有序的，不像`heworllldo`两个协程同时打印，说明某个协程会在mutex.Lock()进行自旋等待获取锁

RWMutex读写互斥锁

读写互斥锁 sync.RWMutex 是细粒度的互斥锁，它不限制资源的并发读，但是读写、写写操作无法并行执行。

type RWMutex struct {w           Mutex  // held if there are pending writerswriterSem   uint32 // semaphore for writers to wait for completing readersreaderSem   uint32 // semaphore for readers to wait for completing writersreaderCount int32  // number of pending readersreaderWait  int32  // number of departing readers
}

w — 复用互斥锁提供的能力；
writerSem 和 readerSem — 分别用于写等待读和读等待写：
readerCount 存储了当前正在执行的读操作数量；
readerWait 表示当写操作被阻塞时等待的读操作个数；

加锁/解锁

func (rw *RWMutex) RLock() ：读加锁，如果有写锁，则阻塞等待

func (rw *RWMutex) RLock() {if race.Enabled {_ = rw.w.staterace.Disable()}if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {// 阻塞，等待信号量的v操作释放共享内存，才能获得执行权runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false, 0)}if race.Enabled {race.Enable()race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem))}
}

func (rw *RWMutex) RUnlock()：解读锁，

func (rw *RWMutex) RUnlock() {if race.Enabled {_ = rw.w.staterace.ReleaseMerge(unsafe.Pointer(&rw.writerSem))race.Disable()}if r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -1); r < 0 {// Outlined slow-path to allow the fast-path to be inlinedrw.rUnlockSlow(r)}if race.Enabled {race.Enable()}
}func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {if r+1 == 0 || r+1 == -rwmutexMaxReaders {race.Enable()throw("sync: RUnlock of unlocked RWMutex")}// A writer is pending.if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {// The last reader unblocks the writer.runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)}
}

func (rw *RWMutex) Lock()：写锁，如果有读写锁被占用，阻塞等待所有读写锁释放后才能获得
- 其他 Goroutine 在获取写锁时会进入自旋或者休眠
- 有其他 Goroutine 持有互斥锁的读锁，该 Goroutine 会调用 runtime.sync_runtime_SemacquireMutex 进入休眠状态等待所有读锁所有者执行结束后释放 writerSem 信号量将当前协程唤醒；

func (rw *RWMutex) Lock() {if race.Enabled {_ = rw.w.staterace.Disable()}// First, resolve competition with other writers.rw.w.Lock()// Announce to readers there is a pending writer.r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders// Wait for active readers.if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false, 0)}if race.Enabled {race.Enable()race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.readerSem))race.Acquire(unsafe.Pointer(&rw.writerSem))}
}

example

func RMutex() {ch := make(chan struct{})rw := &sync.RWMutex{}go func() {rw.RLock()time.Sleep(time.Second * 5)defer rw.RUnlock()fmt.Println("fun1")}()go func() {time.Sleep(time.Millisecond * 500)rw.Lock()defer rw.Unlock()fmt.Println("fun2")close(ch)}()<-ch
}// 先打印出fun1 再打印fun2 代表了读写互斥