Go-知识并发控制mutex
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1. 介绍
互斥锁是并发程序中对共享资源进行访问控制的主要手段，Go 语言提供了非常简单易用的 Mutex。
Mutex 是结构体类型，对外暴露了 Lock 和 Unlock 两个方法，用于加锁和解锁。
2. 数据结构
2.1 Mutex 结构体
在源码包 src/sync/mutex.go中定义了互斥锁的数据结构：
Mutex.state 表示互斥锁的状态，比如是否被锁定等等
Mutex.sema 表示信号量，协程阻塞等待该信号量，解锁的写成释放信号量，从而唤醒等待信号量的协程
其中 Mutex.state 是 32 位的整型变量，内部实现时，把该变量分成四部分，用于记录 Mutex 的四种状态。
- Locked: 表示该 Mutex 是否已被锁定，0表示没有锁定，1表示已被锁定.
- Woken: 表示是否有协程已被唤醒，0表示没有协程唤醒，1表示已有协程唤醒，正在加锁过程中.
- Starving: 表示该 Mutex 是否处于饥饿状态，0表示没有饥饿，1表示饥饿，说明有协程阻塞超过了1ms
- Waiter: 表示阻塞等待锁的协程个数，协程解锁时根据此值来判断是否需要释放信号量。
协程之间的抢锁实际上是抢给 Locked 赋值的权利，能给 Locked 赋值 1，就说明抢锁成功。
抢不到就阻塞等待 Mutex.sema 信号量，一旦持有锁的协程解锁，等待的协程就会依次被唤醒。
2.2 Mutex 方法
Mutex 对外提供的方法主要是加锁和解锁：
- Lock(): 加锁
- Unlock(): 解锁
- TryLock(): 非阻塞的方式尝试加锁(Go 1.18 引入)
3. 加锁解锁过程
3.1 简单加锁
假设当前只有一个协程在加锁，没有其他协程干扰：
加锁过程中会判断 Locked 的标志位是否为0，如果是0则把 Locked 位置为1，代表大锁成功。
如上图所示，加锁成功后，只有 Locked 位置为1，其他位置都没变。
func (m *Mutex) Lock() {
// 快速尝试，使用 cas 进行加锁，如果 state 等于 0 表示无锁
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
return
}
// 否则就需要慢加锁了
m.lockSlow()
}
func (m *Mutex) lockSlow() {
// 等待开始时间
var waitStartime int64
// 是否饥饿
starving := false
// 是否有协程被唤醒
awoke := false
iter := 0
// 获取 state 值
old := m.state
// 死循环
for {
// old & mutexLocked 表示取出 Locked 位
// old & mutexStarving 表示取出 Starving 位
// old & (mutexLocked | mutexStarving) 表示取出 Locked 或 starving 位
// 所以 old & (mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked 表示 Locked 或 Starving 等于 1。
// 要么有锁，要么饥饿
// 并且当前 goroutine 可以进行自旋
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
// 没有饥饿 而且 没有协程被唤醒 并且 Waiter 等待的协程不为空
// 尝试使用 CAS 设置 Worken 值，表示有 goroutine 被唤醒了，在自旋等待锁
if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
// 是否有协程被唤醒标志置为 true
awoke = true
}
// 自旋 ，我认为可以理解为 continue ..
runtime_doSpin()
// 自旋次数加1
iter++
// 重新获取最新的 state 值
old = m.state
// 自旋
continue
}
// 重新获取 state
new := old
// 没有饥饿
if old&mutexStarving == 0 {
// 新值设置为加锁了
new |= mutexLocked
}
// 如果存在饥饿或者有锁
if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
// Waiter 数量增加 1
// 1<<mutexWaiterShift 表示将1左移3位，1000
// new += 1000 表示将 Waiter + 1
new += 1 << mutexWaiterShift
}
// 饥饿 并且 有锁
if starving && old&mutexLocked != 0 {
// new 设置 Starving 位为1
new |= mutexStarving
}
// 如果有唤醒的协程
if awoke {
// 如果新值的 Woken 为 0
if new&mutexWoken == 0 {
// 当前协程就是唤醒的协程
throw("sync: inconsistent mutex state")
}
// 异或运算 将 Woken 位清除
new &^= mutexWoken
}
// 设置有锁，设置没有唤醒的协程，保留饥饿，Waiter + 1
// 放弃自旋，放弃唤醒，进入阻塞并等待
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
// 如果既没有锁，而且也没有饥饿，表示拿到了锁
if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
// 自旋获得了锁
break // 用CAS锁定了互斥对象
}
// 等待时间不为0，表示之前就在等待中
queueLifo := waitStartTime != 0
if waitStartTime == 0 {
// 如果等待时间为0，表示第一次等待
waitStartTime = runtime_nanotime()
}
// 根据等待时间，将当前 goroutine 放到队列头或者尾
runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)
// 设置是否饥饿
// 如果原来就饥饿，那么依然饥饿
// 或者等待时间超过限制，那么也是饥饿
starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs
// 重新获取 state
old = m.state
// 如果存在饥饿
if old&mutexStarving != 0 {
// 有锁 或 有唤醒的协程 或者
// 没有等待的协程
if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
// 不能即处于饥饿，有存在唤醒，还没有锁
// 不能没有等待的协程，又处于饥饿状态
throw("sync: inconsistent mutex state")
}
// 表示 1 减去 1000 = -7
delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
// 如果不是饥饿模式 或者 Waiter 等于 1
if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
// -7 减去 -4 ,移除饥饿模式
delta -= mutexStarving
}
// 更新 state
// 防止自旋死锁
atomic.AddInt32(&m.state, delta)
break
}
awoke = true
iter = 0
} else {
old = m.state
}
}
}
3.2 加锁被阻塞
假设加锁时，锁已经被其他协程占用了：
当协程B对一个已被占用的锁再次加锁时，Waiter 计数器增加1，此时协程B被阻塞，直到 Locked 值变为0后才会被唤醒。
3.3 简单解锁
假设解锁时，没有其他协程阻塞：
由于没有其他协程阻塞等待加锁，所以此时解锁时只需要把 Locked 位置为0即可，不需要释放信号量。
func (m *Mutex) Unlock() {
// 使用 CAS 快速解锁
new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
// 如果 CAS 解锁失败，那么尝试慢解锁
if new != 0 {
m.unlockSlow(new)
}
}
func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {
// 如果 无锁 new 最低位 1，因为在 Unlock 中已经减去 1 了 ，1+1 = 10 ， 0 & 1 = 0 ， 0 == 0
// 如果 有锁 new 最低位 0，0+1 = 1, 1 & 1 = 1, 1 == 0
// 所以，无锁异常，有锁继续
if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
throw("sync: unlock of unlocked mutex")
}
// 如果没有饥饿
if new&mutexStarving == 0 {
// 临时赋值
old := new
for {
// Waiter 等于 0 ，没有等待的协程 或
// 处于 饥饿，有锁，有唤醒 ，结束
if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
return
}
// Waiter 减 1，并且 保留唤醒状态
new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
// 尝试使用 CAS 将 Waiter 减 1 ，同时设置无锁
if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
// 释放 1 个信号量
runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)
return
}
old = m.state
}
} else {
// 如果处理饥饿模式，直接唤醒协程，释放信号量
runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)
}
}
3.4 解锁并唤醒协程
假设解锁时，有一个或多个协程阻塞：
协程A解锁过程分为两个步骤，一是把 Locked 位置为0，二是看到 Waiter > 0 ，释放1个信号量，唤醒一个阻塞的协程，被唤醒的协程 B 把 Locked 位置为1，于是协程B获得锁。
4. 自旋过程
加锁时，如果当前 Locked 位为1，则说明该锁当前由其他协程持有，尝试加锁的协程并不是马上转入阻塞，而是会持续的探测 Locked 位是否变为 0 ，这个过程称为自旋过程。
自旋时间很短，如果在自旋过程中发现锁已经被释放，那么协程可以立即获取锁。此时即便有协程被唤醒也无法获取锁，只能再次阻塞。
自旋的好处是，当加锁失败时，不必立即转入阻塞，有一定机会获取到锁，这样可以避免协程的切换。
4.1 什么是自旋
自旋对应于CPU的PAUSE指令，CPU对该指令什么都不做，相当于CPU空转，对程序而言相当于 sleep 了一小段时间，时间非常短，当前实现是 30个时钟周期。
自旋过程中会持续探测 Locked 是否变为0 ，连续两次探测奸恶就是在执行这些 PAUSE 指令，不同于sleep，不需要将协程转为睡眠状态。
4.2 自旋条件
加锁时，程序会自动判断是否可以自旋，无限制的自旋会给CPU带来巨大压力，所以判断是否可以自旋就很重要了。
自旋必须满足一下所有条件：
- 自旋次数要足够小，通常为 4 ，即自旋最多4次
- CPU核数大于1，否则自旋没有意义，因为此时不可能有其他协程释放锁
- 协程调度机制中的 Process 数量要大于1，比如使用 GOMAXPROCESS() 将处理器设置为1就不能启动自旋
- 协程调度机制中的可运行队列必须为空，否则会延迟协程调度。
简单来说就是 不忙 的时候才会启动自旋
4.3 自旋的优势
自旋的优势是更充分地利用CPU，尽量避免协程切换。因为当前申请加锁的协程拥有CPU，如果经过短时间的自旋可以获得锁，则蒋倩协程可以继续运行，不必进入阻塞状态。
4.4 自旋的问题
如果自旋过程中获得锁，那么之前被阻塞的协程将无法获得锁，如果加锁的协程特别多，每次都通过自旋获得锁，那么之前被阻塞的协程将很难获得锁，从而进入 Starving 状态。
为了避免协程长时间无法获取锁，自 1.8 版本依赖增加了一个状态， Starving 。在这个状态下不会自旋，一旦有协程释放锁，那么一定会唤醒一个协程并成功加锁。
5. Mutex 模式
每个 Mutex 都有两个模式，Normal 和 Starving 。
5.1 Normal 模式
默认情况下，Mutex 的模式是 Normal。
在Normal模式下，如果协程加锁不成功不会立即转为阻塞排队，而是判断是否满足自旋的条件，如果满足则会启动自旋，尝试抢锁。
5.2 Starving 模式(饥饿模式)
自旋过程中能抢到锁，一定意味着同一时间有协程释放了锁。释放锁时，如果发现有阻塞等待的协程，那么还会释放一个信号量来唤醒一个等待协程，
被唤醒的协程得到CPU后开始运行，此时发现锁已经被抢占了，只能再次阻塞。阻塞钱会判断自上次阻塞到本次阻塞经过了多长时间，如果超过1ms，则会将Mutex 标记为 Starving 模式，然后阻塞。
在 Starving 模式下，不会启动自旋过程，即一旦有协程释放了锁，那么一定会唤醒协程，被唤醒的协程将乘公共获取锁，同时会把等待计数减1.
6. Woken 状态
Woken 状态用与加锁和解锁过程的通信。
比如同一个时刻，两个协程一个在加锁，另一个在解锁，加锁的协程可能在自旋过程中，此时把 Woken 标记为1，用于通知解锁协程不必释放信号量。
存在唤醒中的协程，不需要信号量唤醒。
7. 重复解锁引发 panic
如果 Mutex 处于无锁状态，执行 Unlock 会触发 panic。
Unlock 的逻辑分为两个过程： 将 Locked 置为 0 ；判断 Waiter 数量，Waiter > 0，释放一个信号量。
如果多次执行Unlock，那么可能每次都释放一个信号量，这样会唤醒多个协程，多个协程被唤醒后继续在 Lock 的逻辑中抢锁，就需要在 Lock 的逻辑中增加更多场景，
并且引发更多的协程切换。
8. 总结
在使用 Mutex 的时候，使用 defer 避免死锁。加锁后立即使用 defer 解锁，可以有效避免死锁。
加锁和解锁应该成对出现，最好是出现在同一个层次的代码块中，否则很容易引发因重复解锁导致的panic 。
(Java允许重复 release)
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