1.介紹

本文通過閱讀 Go 語言 sync.Mutex 的源碼，我們一起學(xué)習(xí) sync.Mutex 的底層實現(xiàn)。

2.sync.Mutex` 源碼[1]分析

我們通過閱讀 Go 語言 sync.Mutex 的源碼，可以發(fā)現(xiàn) sync.Mutex 結(jié)構(gòu)體包含兩個字段：

type Mutex struct {
 state int32
 sema  uint32
}

• state：存儲互斥鎖的狀態(tài)信息，包括鎖是否被占用、是否進(jìn)入饑餓模式，以及是否有協(xié)程被喚醒等。
• sema：信號量，用于阻塞和喚醒等待該互斥鎖的協(xié)程。

state 字段

state 是一個 int32 類型的整數(shù)，用來表示互斥鎖的當(dāng)前狀態(tài)。它并不是一個簡單的布爾值，而是通過多個位（bit）來記錄鎖的不同狀態(tài)。通過位運算，可以在同一個字段中存儲多種狀態(tài)信息。我們通過閱讀 lockSlow() 方法的源碼，可以發(fā)現(xiàn) state 包含的幾種狀態(tài)。

state 主要包含以下幾種狀態(tài)：

const (
 mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
 mutexWoken
 mutexStarving
 mutexWaiterShift 
 starvationThresholdNs = 1e6
)

• mutexLocker：表示互斥鎖是否已被鎖定。mutexLocked 是通過位移操作 1 << iota 定義的，當(dāng)其值為 1 時，表示互斥鎖已被鎖定。
• mutexWoken：表示是否有等待的協(xié)程已被喚醒。這個狀態(tài)位防止多個等待的協(xié)程被同時喚醒，從而避免競爭鎖。
• mutexStarving：表示互斥鎖是否處于饑餓模式。當(dāng)一個等待的協(xié)程長時間無法獲得鎖（超過 1 毫秒），互斥鎖會進(jìn)入饑餓模式，此時鎖的所有權(quán)會直接從釋放鎖的協(xié)程傳遞給等待隊列中的下一個協(xié)程。
• mutexWaiterShift：表示有多少協(xié)程在等待獲取互斥鎖。通過將 state 字段右移來記錄當(dāng)前有多少協(xié)程處于等待狀態(tài)（每個等待的協(xié)程增加一個值）。

推薦讀者朋友們在項目開發(fā)中，多嘗試使用位運算。

此外，我們通過閱讀 lockSlow() 方法的源碼，發(fā)現(xiàn)其內(nèi)部實現(xiàn)中，使用“自旋鎖”和“CAS”，分別是 runtime_doSpin() 和 atomic.CompareAndSwapInt32()。

使用“自旋鎖”，當(dāng)互斥鎖可能很快被釋放時，協(xié)程可能會短暫地自旋等待，從而減少 CPU 上下文切換的開銷。

需要注意的是“自旋鎖”會占用 CPU 資源，我們在項目開發(fā)中使用時，切勿長時間進(jìn)行自旋等待。

使用“CAS”，用于對 state 變量進(jìn)行原子更新，確保線程安全。

sema 字段

sema 是一個 uint32 類型的信號量，用來控制阻塞和喚醒等待互斥鎖的協(xié)程。它通過與操作系統(tǒng)底層機(jī)制交互，負(fù)責(zé)在鎖被占用時阻塞協(xié)程，當(dāng)鎖被釋放時喚醒等待中的協(xié)程。

當(dāng)一個協(xié)程嘗試獲取鎖但鎖已被占用時，它需要進(jìn)入阻塞狀態(tài)。 sema 字段與 Go 的 runtime（運行時）機(jī)制合作，將這些等待的協(xié)程掛起。當(dāng)鎖被釋放時，runtime 會通過信號量來喚醒一個或多個等待的協(xié)程。

我們閱讀 lockSlow() 方法和 unlockSlow() 方法的源碼，可以發(fā)現(xiàn) sema 通過 runtime_SemacquireMutex() 和 runtime_Semrelease() 函數(shù)進(jìn)行操作。runtime_SemacquireMutex() 阻塞當(dāng)前協(xié)程并等待信號量，runtime_Semrelease() 則負(fù)責(zé)釋放信號量并喚醒等待的協(xié)程。

通過使用信號量，可以很好地處理高并發(fā)下的協(xié)程調(diào)度問題。與自旋鎖不同，信號量機(jī)制不會占用 CPU 資源。當(dāng)協(xié)程需要等待鎖時，它可以通過信號量進(jìn)入休眠，等待鎖釋放后再被喚醒，避免了忙等待帶來的性能損耗。

3.總結(jié)

本文我們通過閱讀 Go 語言 sync.Mutex 的源碼，更加深入了解 sync.Mutex 的底層實現(xiàn)，它包含兩種操作模式，分別是：

普通模式：

在普通模式下，等待的協(xié)程按 FIFO 順序排隊，但新到達(dá)的協(xié)程可以和被喚醒的協(xié)程競爭鎖的所有權(quán)，因為新協(xié)程已經(jīng)在 CPU 上運行，有一定的優(yōu)勢（即可以減少 CPU 上下文切換，從而提升性能）。如果一個協(xié)程等待超過 1 毫秒，互斥鎖會切換到饑餓模式。

饑餓模式：

當(dāng)協(xié)程等待超過 1 毫秒時，互斥鎖進(jìn)入饑餓模式。在饑餓模式下，新到達(dá)的協(xié)程不再直接嘗試獲取鎖，而是排隊等待。釋放鎖的協(xié)程會將鎖直接交給隊列中的第一個等待協(xié)程，從而避免長期等待的協(xié)程一直得不到鎖的情況。

state 字段通過位操作存儲了互斥鎖的多種狀態(tài)，包括是否鎖定、是否進(jìn)入饑餓模式、等待隊列長度等，允許通過原子操作對這些狀態(tài)進(jìn)行高效的并發(fā)管理。

sema 字段是一個信號量，用于阻塞和喚醒等待鎖的協(xié)程，結(jié)合 Go runtime 的機(jī)制，實現(xiàn)高效的協(xié)程調(diào)度和喚醒。

這兩個字段共同構(gòu)成了 sync.Mutex 的核心，保證了在高并發(fā)場景下的互斥鎖操作既高效又安全。

隨著 Go 語言版本迭代，sync.Mutex 的實現(xiàn)經(jīng)過高度優(yōu)化，能夠在低競爭和高競爭場景中提供高效的鎖定機(jī)制，同時盡量減少協(xié)程“饑餓”的情況。