Go 互斥锁 Mutex 源码分析(二)

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0. 前言

在 Go 互斥锁 Mutex 源码分析(一) 一文中分析了互斥锁的结构和基本的抢占互斥锁的场景。在学习锁的过程中，看的不少文章是基于锁的状态解释的，个人经验来看，从锁的状态出发容易陷入细节，了解锁的状态转换过一段时间就忘，难以做到真正的理解。想来是用静态的方法分析动态的问题导致的。在实践中发现结合场景分析互斥锁对笔者来说更加清晰，因此有了 Go 互斥锁 Mutex 源码分析(一)，本文接着结合不同场景分析互斥锁。

1. 不同场景下的锁状态

1.1 唤醒 goroutine

给出示意图：

G1 通过 Fast path 拿到锁，G2 在自旋之后，锁还是已锁状态。这是和 Go 互斥锁 Mutex 源码分析(一) 中的场景不一样的地方。接着自旋之后看，这种场景下会发生什么：

func (m *Mutex) lockSlow() {...for {if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {...}// step2: 当前锁未释放，old = 1new := old// step2: 如果当前锁是饥饿的，跳过期望状态 new 的更新// -      这里锁不是饥饿锁，new = old = 1if old&mutexStarving == 0 {new |= mutexLocked}// step2: 当前锁未释放，更新 new// -      更新 new 的等待 goroutine 位，表示有一个 goroutine 等待// -      更新 new 为 1001，new = 9 if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {new += 1 << mutexWaiterShift}// step2: 当前 goroutine 不是饥饿状态，跳过 new 更新if starving && old&mutexLocked != 0 {new |= mutexStarving}// step2: 当前 goroutine 不是唤醒状态，跳过 new 更新if awoke {if new&mutexWoken == 0 {throw("sync: inconsistent mutex state")}new &^= mutexWoken}// step3: 原子 CAS 更新锁的状态// -      这里更新锁 m.state = 1 为 m.state = new = 9// -      表示当前有一个 goroutine 在等待锁if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {...// waitStartTime = 0, queueLifo = falsequeueLifo := waitStartTime != 0if waitStartTime == 0 {// 更新 waitStartTimewaitStartTime = runtime_nanotime()}// step4: 调用 runtime_SemacquireMutex 阻塞 goroutineruntime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs...}}
}

Mutex.lockSlow 中更新了锁状态，接着进入 runtime_SemacquireMutex。runtime_SemacquireMutex 是个非常重要的函数，我们有必要介绍它。

runtime_SemacquireMutex 接收三个参数。其中，重点是信号量 &m.sema 和 queueLifo。如果 queueLifo = false，当前 goroutine 将被添加到等待锁队列的队尾，阻塞等待唤醒。

G2 执行到 runtime_SemacquireMutex 时将进入阻塞等待唤醒状态，那么怎么唤醒 G2 呢？ 我们需要看解锁过程。

1.1.1 sync.Mutex.Unlock

在 G2 阻塞等待唤醒时，G1 开始释放锁。进入 sync.Mutex.Unlock：

func (m *Mutex) Unlock() {...// 将 m.state 的锁标志位置为 0，表示锁已释放new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)// 检查 new 是否为 0，如果为 0 则表示当前无 goroutine 等待，直接退出// 这里 new = 9，G2 在等待唤醒if new != 0 {m.unlockSlow(new)}
}

进入 Mutex.unlockSlow：

func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {// 检查锁是否已释放，释放一个已经释放的锁将报错if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {fatal("sync: unlock of unlocked mutex")}// 检查锁是普通锁还是饥饿锁if new&mutexStarving == 0 {// 这里 new = 8 是普通锁，进入处理普通锁逻辑old := newfor {// 如果没有 goroutine 等待，则返回if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {return}// old 的唤醒位置 1，并且将等待的 goroutine 减 1，表示将唤醒一个等待中的 goroutine// 这里 new = 2new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken// m.state = 8, old = 8, new = 2// CAS 更新 m.state = new = 2if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {// 进入 runtime_Semrelease 唤醒 goroutineruntime_Semrelease(&m.sema, false, 1)return}old = m.state}} else {// 处理饥饿锁逻辑，暂略runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)}
}

sync.Mutex.Unlock 中的 runtime_Semrelease 唤醒队列中等待的 goroutine。其中，主要接收信号量 &m.sema 和 handoff 两个参数。这里 handoff = false，将增加信号量，唤醒队列中等待的 goroutine G2。

1.1.2 唤醒 G2

唤醒之后，G2 继续执行后续代码：

func (m *Mutex) lockSlow() {...for {...if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {...runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)// 检查唤醒的 goroutine 是否是饥饿模式// 如果是饥饿模式，或等待锁时间超过 1ms 则将 goroutine 置为饥饿模式// 注意这是 goroutine 是饥饿的，不是锁是饥饿锁starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs// m.state 在 G1 unlock 时被更新为 2old = m.state// 锁不是饥饿锁，跳过if old&mutexStarving != 0 {...}awoke = trueiter = 0}}
}

唤醒后的 G2 将 old 更新为 2。信号量增加，释放锁，只会唤醒一个 goroutine，被唤醒的 goroutine，这里是 G2，将继续循环：

func (m *Mutex) lockSlow() {...for {// old = 2，不会进入自旋if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {...}// 更新 new：new 是期望 goroutine 更新的状态// 这里 new = old = 2new := old// old = 2，不是饥饿锁// 更新 new 为 011，3if old&mutexStarving == 0 {new |= mutexLocked}// old = 2，表示锁已释放，不会将 goroutine 加入等待位if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {new += 1 << mutexWaiterShift}// 不饥饿，跳过if starving && old&mutexLocked != 0 {new |= mutexStarving}// awoke = trueif awoke {if new&mutexWoken == 0 {throw("sync: inconsistent mutex state")}// 重置唤醒位，将 new 更新为 001，1new &^= mutexWoken}// m.state = 2, old = 2, new =1// CAS 更新 m.state= new = 1，表示当前 goroutine 已加锁if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {// 当前 goroutine 已加锁跳出循环if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {break // locked the mutex with CAS}...}}
}

在循环一轮后，G2 将拿到锁，接着执行临界区代码，最后在释放锁。

这里的场景是唤醒之后，goroutine 不饥饿。那么饥饿锁又是如何触发的呢？我们继续看饥饿锁的场景。

1.2 饥饿锁

饥饿锁场景下的示意图如下：

当 G1 释放锁时，G3 正在自旋等待锁释放。当 G1 释放锁时，被唤醒的 G2 和自旋的 G3 竞争大概率会拿不到锁。Go 在 1.9 中引入互斥锁的 饥饿模式 来确保互斥锁的公平性。

对于互斥锁循环中的大部分流程，我们在前两个场景下也过了一遍，这里有重点的摘写，以防赘述。

首先，还是看 G2，当 G1 释放锁时，G2 被唤醒，执行后续代码。如下：

func (m *Mutex) lockSlow() {...for {...if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {...runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)// 唤醒 G2，G2 等待锁时间超过 1ms// starving = truestarving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs// 锁被 G3 抢占，m.state = 0011old = m.state// 这时候 old 还不是饥饿锁，跳过if old&mutexStarving != 0 {...}awoke = trueiter = 0}}
}

唤醒 G2 之后，G2 等待锁时间超过 1ms 进入饥饿模式。接着进入下一轮循环：

func (m *Mutex) lockSlow() {...for {// old 是唤醒锁，不会进入自旋if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {...}// 锁的期望状态，new = old = 0011new := old// 锁不是饥饿锁，更新 new 的锁标志位为已锁// new = 0011if old&mutexStarving == 0 {new |= mutexLocked}// 锁如果是饥饿或者已锁状态更新 goroutine 等待位// new = 1011if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {new += 1 << mutexWaiterShift}// goroutine 饥饿，且锁已锁// 更新 new 为饥饿状态，new = 1111if starving && old&mutexLocked != 0 {new |= mutexStarving}// 这里 G2 是唤醒的，重置唤醒位// new = 1101if awoke {if new&mutexWoken == 0 {throw("sync: inconsistent mutex state")}new &^= mutexWoken}// CAS 更新 m.state = new = 1101if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {...// G2 入队列过，这里 queueLifo = truequeueLifo := waitStartTime != 0// 将 G2 重新加入队列，并加入到队首，阻塞等待runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)...}}
}

G2 进入饥饿模式，将互斥锁置为饥饿模式，当前互斥锁状态为 m.state = 1101。G2 作为队列中的队头，阻塞等待锁释放。

类似的，我们看 G3 释放锁的过程。

1.2.1 释放饥饿锁

G3 开始释放锁：

func (m *Mutex) Unlock() {...// new = 1100new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)if new != 0 {// 进入 Mutex.unlockSlowm.unlockSlow(new)}
}func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {...// new = 1100，是饥饿锁if new&mutexStarving == 0 {...} else {// 进入处理饥饿锁逻辑// handoff = true，直接将队头阻塞的 goroutine 唤醒runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)}
}

1.2.2 饥饿锁唤醒

在一次的在队头中阻塞的 G2 被唤醒，接着执行唤醒后的代码：

func (m *Mutex) lockSlow() {...for {...if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {...runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNsold = m.state// old = 1100，是饥饿锁if old&mutexStarving != 0 {...// delta = -(1001)delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {...// delta = -(1101)delta -= mutexStarving}//更新互斥锁状态 m.state = 0001，退出循环atomic.AddInt32(&m.state, delta)break}}}
}

唤醒之后的 G2 直接获得锁，将互斥锁状态置为已锁，直到释放。

2. 锁状态流程

前面我们根据几个场景给出了互斥锁的状态转换过程，这里直接给出互斥锁的流程图如下：

3. 总结

本文是 Go 互斥锁 Mutex 源码分析的第二篇，进一步通过两个场景分析互斥锁的状态转换。互斥锁的状态转换如果陷入状态更新，很容易头晕，这里通过不同场景，逐步分析，整个状态，接着给出状态转换流程图，力图做到源码层面了解锁的状态转换。

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