sync.Mutex 原理浅析

一、概述

并发原语是在并发编程中用于控制和协调多个并发执行单元（如线程、进程、协程）之间操作的基本操作单元或机制，能确保并发程序正确、高效运行，避免数据竞争、死锁等问题。golang 常见的并发原语如下：

锁（Mutex）： sync.Mutex
读写锁（RWMutex）： sync.RWMutex
原子操作（Atomic）： sync/atomic
信号量（Semaphore）： 使用channel实现
条件变量（Condition Variable）： sync.Cond配合互斥锁
通道（Channel）： channel

今天，我们将针对 golang 中的常用的 sync.Mutex 展开讲解。

二、sync.Mutex原理浅析

2.1 核心数据结构

golang 复制代码

type Mutex struct {
    state int32  // 状态字段 
    sema  uint32 // 信号量
}

sema： 是一个信号量，用于实现 goroutine 的阻塞与唤醒操作。
state： 是一个 32 位整数，用于表示锁的状态。不同的位有着不同的含义，涵盖锁是否被持有、是否有等待者、是否处于饥饿模式等。
- 第 0 位（mutexLocked）： 锁定位，表示锁是否被持有。
  - 1：代表锁已被持有状态；
  - 0：代表锁处于未被持有状态；
- 第 1 位（ mutexWoken）： 唤醒位，表示是否有被唤醒的协程（用于避免重复唤醒）。
  - 1：代表有 goroutine 已被唤醒，正在尝试获取锁；
- 第 2 位（mutexStarving）： 饥饿位，表示当前是否处于饥饿模式。
  - 1：代表锁处于饥饿模式；
  - 0：代表锁处于正常模式；
- 剩余 29 位： 等待者计数，表示记录等待锁的协程数量（通过信号量排队）。

2.2 操作模式

互斥锁可以处于两种操作模式：正常模式和饥饿模式。正常模式 具有相当好的性能，因为即使存在处于阻塞状态的等待协程，一个协程也可以连续多次获取到互斥锁。而饥饿模式对于防止出现尾部延迟的极端情况非常重要。

2.2.1 正常模式

在正常模式下，等待获取锁的 goroutine 会按照先进先出（FIFO）的顺序排队。
被唤醒的等待者并不直接拥有锁，而是要和新到来的 goroutine 竞争锁的所有权。新到来的 goroutine 因已经在 CPU 上运行，所以具有一定优势，被唤醒的等待者可能竞争失败，此时它会被重新排到等待队列的队首。
若一个等待者在超过 1 毫秒的时间内都未能获取到锁，锁就会切换到饥饿模式。

2.2.2 饥饿模式

在饥饿模式下，锁的所有权会直接从解锁的 goroutine 传递给等待队列队首的 goroutine。
新到来的 goroutine 即便发现锁看似处于解锁状态，也不会尝试获取锁，而是直接排到等待队列的队尾。
当一个等待者获得锁后，若它是等待队列中的最后一个等待者，或者其等待时间少于 1 毫秒，锁就会切换回正常模式。

2.2.3 模式切换

如果一个等待协程获得了互斥锁的所有权，并且发现以下两种情况之一：

它是等待队列中的最后一个协程；
它的等待时间少于 1 毫秒，那么互斥锁会切换回正常操作模式。

2.3 操作流程

2.3.1 加锁（Lock()）

快速路径： 若锁未被持有（锁定位=0），直接通过CAS获取；
慢路径：
1. 若可自旋（多核、正常模式、尝试次数未超限），则自旋等待锁释放。
2. 自旋失败后，进入等待队列并递增等待计数。
3. 若等待时间过长，则触发饥饿模式。

2.3.2 解锁（Unlock()）

快速路径： ：清除 mutexLocked 位，若此时无等待协程，直接返回。
慢路径： ：根据当前模式唤醒协程。
- 正常模式： 唤醒队列头部协程，与新协程公平竞争。
- 饥饿模式： 直接将锁交给队列头部协程，新协程不参加自选直接进入等待队列。

三、代码示例

golang 复制代码

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
)

var (
    counter int
    mutex   sync.Mutex
)

func increment() {
    mutex.Lock()
    defer mutex.Unlock()
    counter++
}

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    for i := 0; i < 1000; i++ {
       wg.Add(1)
       go func() {
          defer wg.Done()
          increment()
       }()
    }
    wg.Wait()
    // 期望输出：Counter: 1000
    fmt.Println("Counter:", counter)
}

示例解释说明： 在上述代码中，increment 函数借助 mutex.Lock() 和 mutex.Unlock() 来确保同一时刻仅有一个 goroutine 能够对 counter 变量进行自增操作，从而避免了数据竞争问题。