同步原语与锁

Kesa2023年10月10日...大约 7 分钟

1. Mutex

数据结构

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

state：互斥锁状态
sema：信号量

状态

互斥锁的状态通过state的二进制位表示，默认状态所有位为0：

mutexLocked：锁定状态
mutexWoken：从正常模式被唤醒
mutexStarving：饥饿状态
waitersCount：当前锁上等待的 goroutine 的个数

模式

正常模式：goroutine 按照 FIFO 顺序获取锁刚被唤起的 Goroutine 与新创建的 Goroutine 竞争时，大概率会获取不到锁；一旦 Goroutine 超过 1ms 没有获取到锁，它就会将当前互斥锁切换饥饿模式，以保证互斥锁的公平性
饥饿模式：互斥锁会直接交给等待队列最前面的 Goroutine
新的 Goroutine 在该状态下不能获取锁、也不会进入自旋状态，只会在队列的末尾等待。若一个 Goroutine 获得了互斥锁并且它在队列的末尾或者它等待的时间少于 1ms，那么当前的互斥锁就会切换回正常模式。

加锁

func (m *Mutex) Lock() {
	if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
		return
	}
	m.lockSlow()
}

当锁的状态是 0 时，将 mutexLocked 位置成 1
状态不是 0 时，sync.Mutex.lockSlowopen in new window通过自旋（Spinnig）等方式等待锁的释放

sync.Mutex.lockSlowopen in new window流程如下：

判断当前 Goroutine 能否进入自旋
通过自旋等待互斥锁的释放
计算互斥锁的最新状态
更新互斥锁的状态并获取锁

解锁

func (m *Mutex) Unlock() {
	new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
	if new != 0 {
		m.unlockSlow(new)
	}
}

若该sync/atomic.AddInt32open in new window返回的新状态等于 0，当前 Goroutine 就成功解锁
若该函数返回的新状态不等于 0，则调用sync.Mutex.unlockSlowopen in new window开始慢解锁

慢解锁流程：

正常模式下：
- 若互斥锁不存在等待者或者互斥锁的 mutexLocked、mutexStarving、mutexWoken 状态不都为 0，那么当前方法可以直接返回，不需要唤醒其他等待者
- 若互斥锁存在等待者，会通过 sync.runtime_Semreleaseopen in new window 唤醒等待者并移交锁的所有权
饥饿模式下：直接调用 sync.runtime_Semreleaseopen in new window 将当前锁交给下一个正在尝试获取锁的等待者，等待者被唤醒后会得到锁，在这时互斥锁还不会退出饥饿状态

小结

加锁过程：

若互斥锁处于初始化状态，会通过置位 mutexLocked 加锁
若互斥锁处于 mutexLocked 状态并且在普通模式下工作，会进入自旋，执行 30 次 PAUSE 指令消耗 CPU 时间等待锁的释放
若当前 Goroutine 等待锁的时间超过了 1ms，互斥锁就会切换到饥饿模式
互斥锁在正常情况下会通过 runtime.sync_runtime_SemacquireMutexopen in new window 将尝试获取锁的 Goroutine 切换至休眠状态，等待锁的持有者唤醒
若当前 Goroutine 是互斥锁上的最后一个等待的协程或者等待的时间小于 1ms，那么它会将互斥锁切换回正常模式

解锁过程：

当互斥锁已经被解锁时，调用 sync.Mutex.Unlockopen in new window 会直接抛出异常
当互斥锁处于饥饿模式时，将锁的所有权交给队列中的下一个等待者，等待者会负责设置 mutexLocked 标志位
当互斥锁处于普通模式时：
- 若没有 Goroutine 等待锁的释放或者已经有被唤醒的 Goroutine 获得了锁，会直接返回
- 其他情况下会通过 sync.runtime_Semreleaseopen in new window 唤醒对应的 Goroutine

2. RWMutex

数据结构

type RWMutex struct {
	w           Mutex
	writerSem   uint32
	readerSem   uint32
	readerCount int32
	readerWait  int32
}

w：复用互斥锁
writerSem：写等待读信号
readerSem：读等待写信号
readerWait：当前操作被阻塞时，等待的读操作的个数
readerCount 存储了当前正在执行的读操作数量

写锁

获取

func (rw *RWMutex) Lock() {
	rw.w.Lock()
	r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
	if r != 0 && atomic.AddInt32(&rw.readerWait, r) != 0 {
		runtime_SemacquireMutex(&rw.writerSem, false, 0)
	}
}

获取写锁，若已被获取则等待
阻塞后续读操作
等待所有的读操作结束后，唤醒当前 goroutine

获取写锁时会先阻塞写锁的获取，后阻塞读锁的获取，这种策略能够保证读操作不会被连续的写操作『饿死』。

释放

func (rw *RWMutex) Unlock() {
	r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, rwmutexMaxReaders)
	if r >= rwmutexMaxReaders {
		throw("sync: Unlock of unlocked RWMutex")
	}
	for i := 0; i < int(r); i++ {
		runtime_Semrelease(&rw.readerSem, false, 0)
	}
	rw.w.Unlock()
}

将 reaerCount 变为正数释放读锁
释放陷入因读锁陷入等待的 Gorotuine
释放写锁

读锁

获取

func (rw *RWMutex) RLock() {
	if atomic.AddInt32(&rw.readerCount, 1) < 0 {
		runtime_SemacquireMutex(&rw.readerSem, false, 0)
	}
}

readerCount 若为负数，表示存在写锁，等待写锁释放

释放

func (rw *RWMutex) RUnlock() {
	if r := atomic.AddInt32(&rw.readerCount, -1); r < 0 {
		rw.rUnlockSlow(r)
	}
}

readerCount 减一
获取 readCount结果
- 小于零，存在写锁，进入慢解锁
- 大于等于零，直接解锁

慢解锁：

func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
	if r+1 == 0 || r+1 == -rwmutexMaxReaders {
		throw("sync: RUnlock of unlocked RWMutex")
	}
	if atomic.AddInt32(&rw.readerWait, -1) == 0 {
		runtime_Semrelease(&rw.writerSem, false, 1)
	}
}

减少获取锁的写操作等待的读操作数 readerWait
在所有读操作都被释放之后触发写操作的信号量 writerSem，唤醒尝试获取写锁的 Goroutine

3. WaitGroup

数据结构

type WaitGroup struct {
	noCopy noCopy
	state1 [3]uint32
}

noCopy：保证变量不会被拷贝
state1：存储状态和信号量

防止拷贝

sync.noCopyopen in new window 是一个特殊的私有结构体，tools/go/analysis/passes/copylockopen in new window 包中的分析器会在编译期间检查被拷贝的变量中是否包含 sync.noCopyopen in new window 或者实现了 Lock 和 Unlock 方法，若包含该结构体或者实现了对应的方法就会报出以下错误：

func main() {
	wg := sync.WaitGroup{}
	yawg := wg
	fmt.Println(wg, yawg)
}

$ go vet proc.go
./prog.go:10:10: assignment copies lock value to yawg: sync.WaitGroup
./prog.go:11:14: call of fmt.Println copies lock value: sync.WaitGroup
./prog.go:11:18: call of fmt.Println copies lock value: sync.WaitGroup

状态

state1是总共占用 12 字节的数组，存储当前结构体的状态，在64位和32位机上表现不同：

Add

func (wg *WaitGroup) Add(delta int) {
	statep, semap := wg.state()
	state := atomic.AddUint64(statep, uint64(delta)<<32)
	v := int32(state >> 32)
	w := uint32(state)
	if v < 0 {
		panic("sync: negative WaitGroup counter")
	}
	if v > 0 || w == 0 {
		return
	}
	*statep = 0
	for ; w != 0; w-- {
		runtime_Semrelease(semap, false, 0)
	}
}

计数器只能为非负数
负数会引起 panic
计数器归零，唤醒等待中的 Goroutine

Done

实际复用Add(-1)

Wait

func (wg *WaitGroup) Wait() {
	statep, semap := wg.state()
	for {
		state := atomic.LoadUint64(statep)
		v := int32(state >> 32)
		if v == 0 {
			return
		}
		if atomic.CompareAndSwapUint64(statep, state, state+1) {
			runtime_Semacquire(semap)
			if +statep != 0 {
				panic("sync: WaitGroup is reused before previous Wait has returned")
			}
			return
		}
	}
}

计数器大于 0 ，则进入阻塞
计数器归零，则被唤醒

4. Once

数据结构

type Once struct {
	done uint32
	m    Mutex
}

done：表示代码是否被执行过
m：互斥锁

Do

func (o *Once) Do(f func()) {
	if atomic.LoadUint32(&o.done) == 0 {
		o.doSlow(f)
	}
}

func (o *Once) doSlow(f func()) {
	o.m.Lock()
	defer o.m.Unlock()
	if o.done == 0 {
		defer atomic.StoreUint32(&o.done, 1)
		f()
	}
}

若已经执行过则直接返回
获取互斥锁
执行函数
done加一，表示已执行

5. Cond

数据结构

type Cond struct {
	noCopy  noCopy
	L       Locker
	notify  notifyList
	checker copyChecker
}

noCopy：保证编译期不会被拷贝
copyChecker：禁止运行时拷贝
L：保护后续字段
notify： Goroutine 链表

type notifyList struct {
	wait uint32
	notify uint32

	lock mutex
	head *sudog
	tail *sudog
}

wait：当前等待的 goroutine 索引
notify：已经通知到的 goroutine 索引

Wait

func (c *Cond) Wait() {
	c.checker.check()
	t := runtime_notifyListAdd(&c.notify) // runtime.notifyListAdd 的链接名
	c.L.Unlock()
	runtime_notifyListWait(&c.notify, t) // runtime.notifyListWait 的链接名
	c.L.Lock()
}

func notifyListAdd(l *notifyList) uint32 {
	return atomic.Xadd(&l.wait, 1) - 1
}

使当前 goroutine 陷入休眠：

等待计数器加一
解锁
等待唤醒
加锁

runtime_notifyListWait

func notifyListWait(l *notifyList, t uint32) {
	s := acquireSudog()
	s.g = getg()
	s.ticket = t
	if l.tail == nil {
		l.head = s
	} else {
		l.tail.next = s
	}
	l.tail = s
	goparkunlock(&l.lock, waitReasonSyncCondWait, traceEvGoBlockCond, 3)
	releaseSudog(s)
}

获取当前 goroutine 并将其追加至通知链表的尾部

Singal

唤醒等待队列的最前面的 goroutine

func (c *Cond) Signal() {
	c.checker.check()
	runtime_notifyListNotifyOne(&c.notify)
}

Broadcase

唤醒队列中全部的 goroutine

func (c *Cond) Broadcast() {
	c.checker.check()
	runtime_notifyListNotifyAll(&c.notify)
}

小结

Wait：调用前需要加锁，否则会触发 panic
Signal：唤醒等待队列最前面的（链表首部）的goroutine
Broadcase：唤醒全部的 goroutine

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