Golang同步机制的实现

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    Golang的提供的同步机制有sync模块下的Mutex、WaitGroup以及语言自身提供的chan等。 这些同步的方法都是以runtime中实现的底层同步机制(cas、atomic、spinlock、sem)为基础的, 本文主要探讨Golang底层的同步机制如何实现。

1 cas、atomic

    cas(Compare And Swap)和原子运算是其他同步机制的基础, 在runtime/asm_xxx.s(xxx代表系统架构,比如amd64)中实现。amd64架构的系统中, 主要通过两条汇编语句来实现,一个是LOCK、一个是CMPXCHG

    LOCK是一个指令前缀,其后必须跟一条“读-改-写”的指令,比如INC、XCHG、CMPXCHG等。 这条指令对CPU缓存的访问将是排他的。

    CMPXCHG是完成CAS动作的指令。 把LOCK和CMPXCHG一起使用,就达到了原子CAS的功能。

    atomic操作也是通过LOCK和其他算术操作(XADDORB等)组合来实现。

2 自旋锁

    Golang中的自旋锁用来实现其他类型的锁,自旋锁的作用和互斥量类似,不同点在于, 它不是通过休眠来使进程阻塞,而是在获得锁之前一直处于忙等状态(自旋),从而避免了进程(或者

    和自旋锁相关的函数有sync_runtime_canSpin和sync_runtime_doSpin, 前者用来判断当前是否可以进行自旋,后者执行自旋操作。二者通常一起使用。

    sync_runtime_canSpin函数中在以下四种情况返回false

  1. 已经执行了很多次
  2. 是单核CPU
  3. 没有其他正在运行的P
  4. 当前PG队列为空

    条件1避免长时间自旋浪费CPU的情况。

    条件2、3用来保证除了当前在运行的Goroutine之外,还有其他Goroutine在运行。

    条件4是避免自旋锁等待的条件是由当前P的其他G来触发,这样会导致 在自旋变得没有意义,因为条件永远无法触发。

    sync_runtime_doSpin会调用procyield函数,该函数也是汇编语言实现。 函数内部循环调用PAUSE指令。PAUSE指令什么都不做,但是会消耗CPU时间,在执行PAUSE指令时, CPU不会对他做不必要的优化。

3 信号量

    按照runtime/sema.go中的注释:

Think of them as a way to implement sleep and wakeup

    Golang中的sema,提供了休眠和唤醒Goroutine的功能。

    semacquire函数首先检查信号量是否为0:如果大于0,让信号量减一,返回; 如果等于0,就调用goparkunlock函数,把当前Goroutine放入该sema的等待队列,并把他设为等待状态。

    semrelease函数首先让信号量加一,然后检查是否有正在等待的Goroutine: 如果没有,直接返回;如果有,调用goready函数唤醒一个Goroutine。

4 sync/Mutex

    Mutex拥有LockUnlock两个方法,主要的实现思想都体现在Lock函数中。

    Lock执行时,分三种情况:

  1. 无冲突 通过CAS操作把当前状态设置为加锁状态;
  2. 有冲突 开始自旋,并等待锁释放,如果其他Goroutine在这段时间内释放了该锁, 直接获得该锁;如果没有释放,进入3;
  3. 有冲突,且已经过了自旋阶段 通过调用semacquire函数来让当前Goroutine进入等待状态。

    无冲突时是最简单的情况;有冲突时,首先进行自旋,是从效率方面考虑的, 因为大多数的Mutex保护的代码段都很短,经过短暂的自旋就可以获得;如果自旋等待无果,就只好通过信号量来让当前 Goroutine进入等待了。


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本文来自:无心之祸

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