Golang底层原理剖析之互斥锁sync.Mutex
互斥锁sync.Mutex
Mutex概括
Mutex(Mutual exclusion),Go中Mutex的数据结构是这样的，因为足够简单，所以不需要额外的初始化，零值就是一个有效的互斥锁，处于Unlocked状态。state存储的是互斥锁的状态，加锁和解锁，都是通过atomic包提供的函数原子性，操作该字段。sema用作一个信号量，主要用于等待队列。
Mutex有两种模式，在正常模式下，一个尝试加锁的goroutine会先自旋四次，自旋锁(如果不成功就一直尝试)，尝试通过原子操作获得锁，若几次自旋之后仍不能获得锁，则通过信号量排队等待。
所有等待者会按照先入先出FIFO的顺序排队。
但是当锁被释放，第一个等待者被唤醒后并不会直接拥有锁，而是需要和后来者竞争，也就是那些处于自旋阶段，尚未排队等待的goroutine。这种情况下后来者更有优势，一方面，它们正在CPU上运行，自然比刚被唤醒的goroutine更有优势，另一方面处于自旋状态的goroutine可以有很多，而被唤醒的goroutine每次只有一个，所以被唤醒的goroutine有很大概率拿不到锁。这种情况下它会被重新插入到队列的头部，而不是尾部。
而当一个goroutine本次加锁等待时间超过了1ms后，它会把当前Mutex从正常模式切换至“饥饿模式”。
在饥饿模式下，Mutex的所有权从执行Unlock的goroutine，直接传递给等待队列头部的goroutine，后来者不会自旋，也不会尝试获得锁，即使Mutex处于Unlocked的状态。它们会直接到队列的尾部排队等待。
当一个等待者获得锁之后，它会在以下两种情况时，将Mutex由饥饿模式切换回正常模式。
- 第一种情况是它的等待时间小于1ms，也就是它刚来不久
- 第二种情况是它是最后一个等待者，等待队列已经空了，后面自然就没有饥饿的goroutine了
综上所述，在正常模式下自旋和排队是同时存在的，执行lock的goroutine会先一边自旋，尝试4次后如果还没拿到锁，就需要去排队等待了，这种排队之前先让大家来抢的模式，能够有更高的吞吐量，因为频繁的挂起，唤醒goroutine会带来较多的开销。但是又不能无限制的自旋，要把自旋的开销控制在较小的范围内，所以在正常模式下，Mutex有更好的性能。 但是可能会出现队列尾端的goroutine迟迟抢不到锁(尾端延迟)的情况。
而饥饿模式不再尝试自旋，所有goroutine都要排队，严格的FIFO，对于防止出现尾端延迟来讲特别重要。
Mutex.state状态标识
首先来看一下关于Mutex.state的几个常量定义，state是int32类型，其中第一个位用作锁状态标识，1表示已加锁，对应掩码常量为mutexLocked，第二位用于记录是否已有goroutine被唤醒了，1表示已唤醒，对应掩码常量为mutexWoken，第三位表示Mutex的工作模式，0代表正常模式，1代表饥饿模式，对应掩码常量为mutexStartving ，而常量mutexWaiterShift等于3，表示除了低三位以外，state的其它位用来记录有多少个等待者在排队。
来看一下lock和unlock的方法，精简掉了注释和部分race检测相关代码，两个方法中主要是通过atomic函数来实现了Fast path。相应的Slow path被单独放在了lockSlow和unlockSlow方法中。根据源码注释的说法，这样是为了便于编译器堆Fast path进行内联优化。
Lock的Fast path期望Mutex处于Unlocked状态，没有goroutine在排队，更不会饥饿，理想状态下，一个CAS操作就可以获得锁，但是如果CAS操作没能获得锁，就需要进入Slow path，也就是lockSlow方法。
Unlock方法同理，首先通过原子操作从state中减去mutexLocked，也就是释放锁，然后根据state的新值来判断是否需要执行Slow path。如果新值为0，也就意味着没有其他goroutine在排队， 所以不需要执行额外操作，如果新值不为0，那就需要进入slow path，看看是不是需要唤醒某个goroutine。lock和unlock的fast path就是这样，接下来展开slow path的主要逻辑。
Mutex源码剖析
当一个goroutine尝试给mutex加锁时，如果其他goroutine已经加了锁还没有释放，而且当前mutex工作在正常模式下，是不是就要开始自旋了呢？
不一定，因为如果当前是单核场景，自旋的goroutine在等待持有锁的goroutine释放锁，而持有锁的goroutine在等待自旋的goroutine让出CPU，这种情况下自旋是没有意义的。而且如果GOMAXPROCS=1，或者当前没有其它正在运行的Ｐ，也和单核场景类似，同样不需要自旋。除此之外，如果当前Ｐ的本地runq不为空，相较于自旋而言，切换到本地runq更有效率，所以为保障吞吐量也不会自旋。
最终，只有在多核场景下，且GOMAXPROCS>1,至少有一个其他的P处于running，当前P的本地runq为空的情况下，才可以自旋。
进入自旋的goroutine会先去争抢mutex的唤醒标识位(自旋G与等待队列第一个G就是在此竞争)，设置mutexWoken标识位的目的是，在正常模式下，告知持有锁的goroutine，在unlock的时候不用再唤醒其他goroutine了，已经有goroutine在这里等待，以免唤醒太多的等待协程。mutex中的自旋，底层是通过procyield循环执行30次PAUSE，自旋次数上限为4，而且每自旋一次都要重新判断是否可以继续自旋。
如果锁被释放了，或者锁进入了饥饿模式，亦或者已经自旋了4次，都会结束自旋。结束自旋或者根本不用自旋的goroutine，就该尝试原子操作修改mutex的状态了。把此时mutex.state保存了old中，把要修改为的新state记为new。
- 如果old处于饥饿模式或者加锁状态，goroutine就得去排队，所以在这些情况下排队规模要加1.
- 如果是正常模式，就要尝试设置lock位，所以最后一位要置为1
- 如果当前goroutine等待的时间已经超过1ms，而且锁还没被释放，就要将mutex的状态切换为饥饿模式，这里之所有还要求锁没被释放，是因为如果锁已经释放了，那怎么都得去抢一次啊，要是直接进入饥饿模式就只能去排队了。
- 在执行原子操作修改state之前，若是当前goroutine持有唤醒标识的话，还要将唤醒标识位重置。
把排队规模和几个标志位都设置好以后，在执行原子操作修改state之前，若是当前goroutine持有唤醒标识的话，还要将唤醒标识位重置。因为接下来无论是要去抢锁，还是单纯的去排队，如果原子操作成功了，那么要么是成功抢到了锁，要么是成功进到了等待队列里。当前goroutine都不再是被唤醒的goroutine了，所以要释放唤醒标识。
而如果原子操作不成功，也就意味着其他goroutine在我们保存mutex.state到old以后，又修改了state的值，当前goroutine就要回过头去，继续从自旋检测这里开始再次尝试。所以也需要释放自己之前抢到的唤醒标识位，从头再来。
继续展开这个原子操作成功的分支，如果是抢锁操作成功了，那么加锁的slow path就可以宣告结束了。
如果是排队的规模设置成功了，还要决定是排在等待队列头部还是尾部，如果当前goroutine已经排过队，是在unlock中唤醒的，那就排在等待队列头部。
如果是第一次排队，就排到最后，并且从第一次排队开始记录当前goroutine的等待时间。
接下来就会让出，进到等待队列里面了(runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1))，队列里的goroutine被唤醒时(unlock)，要从上次让出的地方（39行，runtime_SemacquireMutex的下面）开始继续执行，接下来会判断，如果mutex处在正常模式，那就接着从自旋开始抢锁，如果唤醒后的mutex处在饥饿模式，那就没有其他goroutine会和自己抢了，锁已经轮到自己这里，只需要把mutex.state中lock标识位设置为加锁，把等待队列规模减去1，再看看是不是要切换到正常模式，也就是自己的等待时间是不是小于1ms，或者等待队列已经空了，最后设置好mutex.state就一切ok了，这就是加锁操作的slow path。
接下来看unlock的slow path，进到unlock的slow path，说明除去lock标识为以外，剩下的位不全为0，如果处在正常模式，若等待队列为空，或已经有goroutine被唤醒或者获得了锁，或者锁进入了饥饿模式，那就不需要唤醒某个goroutine了，直接返回即可。否则就要尝试抢占mutexWoken标识位，获取唤醒一个goroutine的权利，抢占成功后，就会通过runtime_Semrelease函数唤醒一个goroutine,如果抢占不成功就进行循环尝试，直到等待队列为空，或已经有goroutine被唤醒或者获得了锁，或者锁进入了饥饿模式，则退出循环，而在饥饿模式下，后来的goroutine不会争抢锁，而是直接排队，锁的所有权是直接从执行unlock的goroutine，传递给等待队列中首个等待者的，所以不用抢占mutexWoken标识位。
第一个等待者唤醒后，会继承当前goroutine的时间片立刻开始运行，也就是继续lockSlow中这里，goroutine被唤醒以后的逻辑，这就是unlock的slow path。
