Go中锁的那些姿势，估计你不知道

#### 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： 1. 互斥锁 sync.Mutex 2. 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。 ```go 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 ```go 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： ```go 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。** 1. 直接获取锁，返回 2. 自旋和唤醒 3. 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 ```go //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 ```go //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 ```go 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<<mutexWaiterShift) 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 ```go 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<<mutexWaiterShift) | mutexWoken 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。