GO 互斥锁实现原理剖析

2020-08-08T03:12:48
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1. 前言

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,对此Go语言提供了非常简单易用的Mutex,Mutex为一结构体类型,对外暴露两个方法Lock()和Unlock()分别用于加锁和解锁。

Mutex使用起来非常方便,但其内部实现却复杂得多,这包括Mutex的几种状态。另外,我们也想探究一下Mutex重复解锁引起panic的原因。

按照惯例,本节内容从源码入手,提取出实现原理,又不会过分纠结于实现细节。

2. Mutex数据结构

2.1 Mutex结构体

源码包src/sync/mutex.go:Mutex定义了互斥锁的数据结构:

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}
  • Mutex.state表示互斥锁的状态,比如是否被锁定等。
  • Mutex.sema表示信号量,协程阻塞等待该信号量,解锁的协程释放信号量从而唤醒等待信号量的协程。

我们看到Mutex.state是32位的整型变量,内部实现时把该变量分成四份,用于记录Mutex的四种状态。

下图展示Mutex的内存布局:

  • Locked: 表示该Mutex是否已被锁定,0:没有锁定 1:已被锁定。
  • Woken: 表示是否有协程已被唤醒,0:没有协程唤醒 1:已有协程唤醒,正在加锁过程中。
  • Starving:表示该Mutex是否处理饥饿状态, 0:没有饥饿 1:饥饿状态,说明有协程阻塞了超过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。

协程之间抢锁实际上是抢给Locked赋值的权利,能给Locked域置1,就说明抢锁成功。抢不到的话就阻塞等待Mutex.sema信号量,一旦持有锁的协程解锁,等待的协程会依次被唤醒。

Woken和Starving主要用于控制协程间的抢锁过程,后面再进行了解。

2.2 Mutex方法

Mutext对外提供两个方法,实际上也只有这两个方法:

  • Lock() : 加锁方法
  • Unlock(): 解锁方法

下面我们分析一下加锁和解锁的过程,加锁分成功和失败两种情况,成功的话直接获取锁,失败后当前协程被阻塞,同样,解锁时跟据是否有阻塞协程也有两种处理。

3. 加解锁过程

3.1 简单加锁

假定当前只有一个协程在加锁,没有其他协程干扰,那么过程如下图所示:

加锁过程会去判断Locked标志位是否为0,如果是0则把Locked位置1,代表加锁成功。从上图可见,加锁成功后,只是Locked位置1,其他状态位没发生变化。

3.2 加锁被阻塞

假定加锁时,锁已被其他协程占用了,此时加锁过程如下图所示:

从上图可看到,当协程B对一个已被占用的锁再次加锁时,Waiter计数器增加了1,此时协程B将被阻塞,直到Locked值变为0后才会被唤醒。

3.3 简单解锁

假定解锁时,没有其他协程阻塞,此时解锁过程如下图所示:

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。

3.4 解锁并唤醒协程

假定解锁时,有1个或多个协程阻塞,此时解锁过程如下图所示:

协程A解锁过程分为两个步骤,一是把Locked位置0,二是查看到Waiter>0,所以释放一个信号量,唤醒一个阻塞的协程,被唤醒的协程B把Locked位置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,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,这个过程即为自旋过程。

自旋时间很短,但如果在自旋过程中发现锁已被释放,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,连续两次探测间隔就是执行这些PAUSE指令,它不同于sleep,不需要将协程转为睡眠状态。

4.1 自旋条件

加锁时程序会自动判断是否可以自旋,无限制的自旋将会给CPU带来巨大压力,所以判断是否可以自旋就很重要了。

自旋必须满足以下所有条件:

  • 自旋次数要足够小,通常为4,即自旋最多4次
  • CPU核数要大于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GOMAXPROCS()将处理器设置为1就不能启用自旋
  • 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

可见,自旋的条件是很苛刻的,总而言之就是不忙的时候才会启用自旋。

4.2 自旋的优势

自旋的优势是更充分的利用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,当前协程可以继续运行,不必进入阻塞状态。

4.3 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,那么之前被阻塞的进程将很难获得锁,从而进入饥饿状态。

为了避免协程长时间无法获取锁,自1.8版本以来增加了一个状态,即Mutex的Starving状态。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

前面分析加锁和解锁过程中只关注了Waiter和Locked位的变化,现在我们看一下Starving位的作用。

每个Mutex都有两个模式,称为Normal和Starving。下面分别说明这两个模式。

4.1 normal模式

默认情况下,Mutex的模式为normal。

该模式下,协程如果加锁不成功不会立即转入阻塞排队,而是判断是否满足自旋的条件,如果满足则会启动自旋过程,尝试抢锁。

4.2 starvation模式

自旋过程中能抢到锁,一定意味着同一时刻有协程释放了锁,我们知道释放锁时如果发现有阻塞等待的协程,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,此时发现锁已被抢占了,自己只好再次阻塞,不过阻塞前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的话,会将Mutex标记为"饥饿"模式,然后再阻塞。

处于饥饿模式下,不会启动自旋过程,也即一旦有协程释放了锁,那么一定会唤醒协程,被唤醒的协程将会成功获取锁,同时也会把等待计数减1。

5. Woken状态

Woken状态用于加锁和解锁过程的通信,举个例子,同一时刻,两个协程一个在加锁,一个在解锁,在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了,好比在说:你只管解锁好了,不必释放信号量,我马上就拿到锁了。

6. 为什么重复解锁要panic

可能你会想,为什么Go不能实现得更健壮些,多次执行Unlock()也不要panic?

仔细想想Unlock的逻辑就可以理解,这实际上很难做到。Unlock过程分为将Locked置为0,然后判断Waiter值,如果值>0,则释放信号量。

如果多次Unlock(),那么可能每次都释放一个信号量,这样会唤醒多个协程,多个协程唤醒后会继续在Lock()的逻辑里抢锁,势必会增加Lock()实现的复杂度,也会引起不必要的协程切换。

7. 编程Tips

7.1 使用defer避免死锁

加锁后立即使用defer对其解锁,可以有效的避免死锁。

7.2 加锁和解锁应该成对出现

加锁和解锁最好出现在同一个层次的代码块中,比如同一个函数。

重复解锁会引起panic,应避免这种操作的可能性。

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