概述
sync/mutex是Go语言底层基础对象之一,用于构建多个goroutine间的同步逻辑,因此被大量高层对象所使用。
其工作模型类似于Linux内核的futex对象,具体实现极为简洁,性能也有保证。
数据结构
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| type Mutex struct { state int32 sema uint32 }
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mutex对象仅有两个数值字段,分为为state(存储状态)和sema(用于计算休眠goroutine数量的信号量)。
初始化时填入的0值将mutex设定在未锁定状态,同时保证时间开销最小。
这一特性允许将mutex作为其它对象的子对象使用。
state字段
state被定义为int32类型,允许为其调用原子方法(sync/atomic),从而原子化地设定状态。
每个state字段均划分三个状态段,含义如下:
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| 31 3 2 1 0 +----~~~----+-+-+-+ | S | |W|L| +----~~~----+-+-+-+ | | | | | | | \--- 锁定状态,0表示未锁定,1表示已锁定 | | | | | \----- 唤醒事件,0表示无事件,1表示mutex已被解除锁定,可以唤醒等待其它goroutine | | | \------- 保留位,保持为0 | \------------------- 等待唤醒以尝试锁定的goroutine的计数,0表示没有等待者
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方法
Lock() / 锁定
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| func (m *Mutex) Lock() { if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { if raceenabled { raceAcquire(unsafe.Pointer(m)) } return } awoke := false for { old := m.state new := old | mutexLocked if old&mutexLocked != 0 { new = old + 1<<mutexWaiterShift } if awoke { new &^= mutexWoken } if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) { if old&mutexLocked == 0 { break } runtime_Semacquire(&m.sema) awoke = true } } if raceenabled { raceAcquire(unsafe.Pointer(m)) } }
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Unlock() / 解除锁定
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| func (m *Mutex) Unlock() { if raceenabled { _ = m.state raceRelease(unsafe.Pointer(m)) } new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked) if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 { panic("sync: unlock of unlocked mutex") } old := new for { if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 { return } new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) { runtime_Semrelease(&m.sema) return } old = m.state } }
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可以观察到,两个函数一共有四个原子函数调用点,也就是状态同步点。
一旦原子函数调用失败,说明状态已被其它goroutine改变,需要重新获取状态以决定后续动作。
调用者
mutex不与具体goroutine挂钩,可被任意的goroutine调用,但需要注意一下几点:
- 同一个goroutine不能在“连续”调用Lock()函数两次,否则会导致死锁;
- 在确保调用顺序正确的前提下,完全可以在一个goroutine中调用Lock(),在另一个中调用Unlock();
- 同一个mutex不能被“连续”调用Unlock()函数两次,否则会导致异常。
状态迁移
状态列表
state的三个状态段一共有如下状态组合(-
表示0):
状态组合 休眠者 唤醒事件 锁定
---
- - - --L
- - 是 -WL
- 有 是 S-L
有 - 是 SW-
有 有 - S--
有 - - -W-
- 有 - SWL
有 有 是
结合同步点分析,可以得到如下规则:
1. 非唤醒goroutine在尝试锁定时不消耗唤醒事件,对该状态段不做改变;
2. 已唤醒goroutine一定会消耗唤醒事件,将重置该状态段;
3. 解除锁定后才尝试发送唤醒事件。
迁移路径
只有一个goroutine调用的情况
这种情况下,状态只在---
与--L
之间迁移(路径1和2),且只涉及到FG和D两个同步点。
有两个goroutine调用的情况
这种情况下,状态涉及---
、--L
、S-L
、S--
、-W-
、-WL
六个状态。
假设两个goroutine分别称为X和Y:
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| 1. 当X已经锁定mutex,而Y尝试锁定时,会从`--L`迁移到`S-L`(路径3); 2. 当X解除锁定后,会从`S-L`迁移到`S--`(路径5),此时Y还在休眠中; 3. 当X发送唤醒事件后,会从`S--`状态迁移到`-W-`(路径7),并尝试唤醒休眠者(即Y),此时有三条路径: 3.1 Y成功锁定mutex,则从`-W-`迁移到`--L`(路径8),X若尝试锁定,则进一步迁移到`S-L`(路径3); 3.2 X又尝试锁定mutex,则从`-W-`迁移到`-WL`(路径14),Y因被唤醒而尝试锁定,则进一步迁移到`S-L`(路径17); 3.3 X又尝试锁定mutex,且在Y尝试锁定前解除锁定,则从`-W-`迁移到`-WL`(路径14)而后又迁移回`-W-`(路径15)。
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有多个goroutine调用的情况
这种情况是两个goroutine调用情况的延续,在原基础上再涉及-WL
和SWL
两个状态。
假设三个goroutine分别称为X、Y和Z:
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| 1. 当X已经锁定mutex,则Y在等待,且Z尝试锁定,会从`S-L`迁移到其自身(路径4); 2. 当X解除锁定、还未唤醒Y时,此时若Z尝试锁定,会从`S--`迁移回`S-L`(路径6); 3. 当X解除锁定、且唤醒Y后(路径9),此时若Z尝试锁定,会从`SW-`迁移到`SWL`(路径11),此时有三条路径: 3.1 Y发现mutex已被锁定,而进一步迁移到`S-L`状态(路径18); 3.2 Z迅速解除锁定,状态迁移回`SW-`(路径12),Y尝试锁定,进一步迁移到`S-L`(路径10); 3.3 更多的goroutine尝试锁定,会一直迁移回`SWL`(路径13)。 4. 当X唤醒Y、且Z尝试锁定成功,则从`-WL`迁移到`SWL`(路径16)。
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附录
附状态迁移图的Graphviz源码。
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| graph { node [shape="circle"]; edge [dir="forward", len="2.0"]; rankdir=LR; nnn [label="---"]; nnl [label="--L"]; swn [label="SW-"]; snn [label="S--", pos="0,0"]; snl [label="S-L"]; nwn [label="-W-"]; nwl [label="-WL"]; swl [label="SWL"]; nnn -- nnl [label="1"]; nnl -- nnn [label="2"]; nnl -- snl [label="3"]; snl -- snl [label="4"]; snl -- snn [label="5"]; snn -- snl [label="6"]; snn -- nwn [label="7"]; nwn -- nnl [label="8"]; snn -- swn [label="9"]; swn -- snl [label="10"]; swn -- swl [label="11"]; swl -- swn [label="12"]; swl -- swl [label="13"]; nwn -- nwl [label="14"]; nwl -- nwn [label="15"]; nwl -- swl [label="16"]; nwl -- snl [label="17"]; swl -- snl [label="18"]; }
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