golang mutex互斥锁分析

互斥锁：没有读锁写锁之分，同一时刻，只能有一个gorutine获取一把锁

数据结构设计：

type Mutex struct {
　　state int32 // 将一个32位整数拆分为 当前阻塞的goroutine数(30位)|唤醒状态(1位)|锁状态(1位) 的形式，来简化字段设计
　　sema uint32 // 信号量
}

const (
　　mutexLocked = 1 << iota // 0001 含义：用最后一位表示当前对象锁的状态，0-未锁住 1-已锁住
　　mutexWoken // 0010 含义：用倒数第二位表示当前对象是否被唤醒 0-唤醒 1-未唤醒
　　mutexWaiterShift = iota // 2 含义：从倒数第二位往前的bit位表示在排队等待的goroutine数
)

关键函数设计：

lock函数：

//获取锁，如果锁已经在使用，则会阻塞一直到锁可用
func (m *Mutex) Lock() {
    // m.sate == 0时说明当前对象还没有被锁住过，进行原子操赋值作操作设置mutexLocked状态，CompareAnSwapInt32返回true
    // m.sate != 1时刚好相反说明对象已被其他goroutine锁住，不会进行原子赋值操作设置，CopareAndSwapInt32返回false
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { 
        if race.Enabled {
            race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
        }
        return
    }

    awoke := false
    iter := 0
    for {
        old := m.state // 保存对象当前锁状态
        new := old | mutexLocked // 保存对象即将被设置成的状态
        if old&mutexLocked != 0 { // 判断对象是否处于锁定状态
　　　　　　if runtime_canSpin(iter) { // 判断当前goroutine是否可以进入自旋锁
                if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
                    atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
                    awoke = true
                }
                runtime_doSpin() // 进入自旋锁后当前goroutine并不挂起，仍然在占用cpu资源，所以重试一定次数后，不会再进入自旋锁逻辑
                iter++
                continue
          }
          // 更新阻塞goroutine的数量
          new = old + 1<<mutexWaiterShift //new = 2
        }
        if awoke {
            if new&mutexWoken == 0 {
                panic("sync: inconsistent mutex state")
            }
　　　　　　　// 设置唤醒状态位0
            new &^= mutexWoken
        }
        if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
            if old&mutexLocked == 0 { // 如果对象原本不是锁定状态，对象已经获取到了锁
                break
            }
            // 如果对象原本就是锁定状态，挂起当前goroutine，进入休眠等待状态
            runtime_Semacquire(&m.sema)
            awoke = true
            iter = 0
        }
    }

    if race.Enabled {
        race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
    }
}

再来看看unlock函数，终于可以来点轻松的了

func (m *Mutex) Unlock() {
    if race.Enabled {
        _ = m.state
        race.Release(unsafe.Pointer(m))
    }

    // 改变锁的状态值
    new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
    if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 { // 如果原来锁不是锁定状态，报错
        panic("sync: unlock of unlocked mutex")
    }

    old := new
    for {
        // 1. 如果没有阻塞的goroutine直接返回
        // 2. 如果已经被其他goroutine获取到锁了直接返回
        // 需要说明的是为什么是old&(mutexLocked|mutexWoken)而不是old&mutexLocked
        // 首先如果是old&mutexLocked的话，那锁就没法释放了
        // 最主要的一点是lock时进入自旋锁逻辑后，goroutine持有的对象状态会设置为mutexLocked|mutexWoken
        // 这种情况让再去解锁后mutexWaiterShift数就会出现不一致情况
        if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 {
            return
        }
        // 更新阻塞的goroutine个数
        new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
        if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
            // 通知阻塞的goroutine
            runtime_Semrelease(&m.sema)
            return
        }
        old = m.state
    }
}

总结：

一、互斥效果实现方式

　　1. 当前goroutine进入自旋锁逻辑等待中

　　2. 挂起当前goroutine等待其他goroutine解锁通知，通过信号量实现

二、锁数据结构设计十分精简

     goroutine数(30位)|唤醒状态(1位)|锁状态(1位)