我在極客時間上開了一門面向中高級Go程序員的課程：Go 并發(fā)編程實(shí)戰(zhàn)課，有讀者問Go channel中的實(shí)現(xiàn)中使用了mutex,這個mutex和標(biāo)準(zhǔn)庫中的Mutex有什么不同?正好在百度廠內(nèi)分享Go相關(guān)課程中有同事也提出了相同的問題，所以我專門寫一篇文章介紹一下。

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sync.Mutex是一個high level的同步原語，是為廣大的Go開發(fā)者開發(fā)應(yīng)用程序提供的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在它的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)邏輯比較復(fù)雜了，包含spin和饑餓處理等邏輯，它底層使用了運(yùn)行時的low level的一些函數(shù)和atomic的一些方法。

而運(yùn)行時中的mutex是為運(yùn)行時內(nèi)部使用互斥鎖而提供的一個同步原語，它提供了spin和等待隊列，并沒有去解決饑餓狀態(tài)，而且它的實(shí)現(xiàn)和sync.Mutex的實(shí)現(xiàn)也是不一樣的。它并沒有以方法的方式提供Lock/Unlock,而是提供lock/unlock函數(shù)實(shí)現(xiàn)請求鎖和釋放鎖。

Dan Scales 今年年初的時候又為運(yùn)行時的鎖增加了static locking rank的功能。他為運(yùn)行時的架構(gòu)無關(guān)的鎖( architecture-independent locks)定義了rank,并且又定義了一些運(yùn)行時的鎖的偏序(此鎖之前允許持有哪些鎖)。這是運(yùn)行時鎖的一個巨大改變，但是很遺憾并沒有一篇設(shè)計文檔詳細(xì)去描述這個功能的設(shè)計，你可以通過提交的comment(#0a820007)和代碼中的注釋去了解runtime內(nèi)部鎖的代碼變化。

本質(zhì)上來說，這個功能用來檢查鎖的順序是不是按照文檔設(shè)計的順序執(zhí)行的，如果有違反設(shè)定的順序，就有可能死鎖發(fā)生。因?yàn)槿狈?zhǔn)確的文檔說明，并且這個功能主要是用來檢查運(yùn)行時鎖的執(zhí)行順序的，所以在本文中我把這一段邏輯抹去不介紹了。實(shí)際Go運(yùn)行時要開始這個檢查的話，你需要設(shè)置變量GOEXPERIMENT=staticlockranking。

那么接下來我們看看運(yùn)行時的mutex的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的定義以及l(fā)ock/unlock的實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)行時mutex數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

運(yùn)行時的mutex數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)很簡單，如下所示，定義在runtime2.go中：

type mutex struct { 
    lockRankStruct 
    // Futex-based impl treats it as uint32 key, 
    // while sema-based impl as M* waitm. 
    // Used to be a union, but unions break precise GC. 
    key uintptr 
} 

如果不啟用lock ranking,其實(shí)lockRankStruct就是一個空結(jié)構(gòu)：

type lockRankStruct struct { 
} 

那么對于運(yùn)行時的mutex,最重要的就是key字段了。這個字段針對不同的架構(gòu)有不同的含義。

對于dragonfly、freebsd、linux架構(gòu)，mutex會使用基于Futex的實(shí)現(xiàn)， key就是一個uint32的值。 Linux提供的Futex(Fast user-space mutexes)用來構(gòu)建用戶空間的鎖和信號量。Go 運(yùn)行時封裝了兩個方法，用來sleep和喚醒當(dāng)前線程：

• futexsleep(addr uint32, val uint32, ns int64)：原子操作`if addr == val { sleep }`。
• futexwakeup(addr *uint32, cnt uint32)：喚醒地址addr上的線程最多cnt次。

對于其他的架構(gòu)，比如aix、darwin、netbsd、openbsd、plan9、solaris、windows，mutex會使用基于sema的實(shí)現(xiàn)，key就是M* waitm。Go 運(yùn)行時封裝了三個方法，用來創(chuàng)建信號量和sleep/wakeup：

• func semacreate(mp *m):創(chuàng)建信號量
• func semasleep(ns int64) int32： 請求信號量，請求不到會休眠一段時間
• func semawakeup(mp *m)：喚醒mp

基于這兩種實(shí)現(xiàn)，分別有不同的lock和unlock方法的實(shí)現(xiàn)，主要邏輯都是類似的，所以接下來我們只看基于Futex的lock/unlock。

請求鎖lock

如果不使用lock ranking特性，lock的邏輯主要是由lock2實(shí)現(xiàn)的。

func lock(l *mutex) { 
    lockWithRank(l, getLockRank(l)) 
} 
func lockWithRank(l *mutex, rank lockRank) { 
    lock2(l) 
} 
func lock2(l *mutex) { 
    // 得到g對象 
    gp := getg() 
    // g綁定的m對象的lock計數(shù)加1 
    if gp.m.locks < 0 { 
        throw("runtime·lock: lock count") 
    } 
    gp.m.locks++ 
    // 如果有幸運(yùn)光環(huán)，原來鎖沒有被持有，一把就獲取到了鎖，就快速返回了 
    v := atomic.Xchg(key32(&l.key), mutex_locked) 
    if v == mutex_unlocked { 
        return 
    } 
    // 否則原來的可能是MUTEX_LOCKED或者M(jìn)UTEX_SLEEPING 
    wait := v 
    // 單核不進(jìn)行spin,多核CPU情況下會嘗試spin 
    spin := 0 
    if ncpu > 1 { 
        spin = active_spin 
    } 
     
    for { 
        // 嘗試spin,如果鎖已經(jīng)釋放，嘗試搶鎖 
        for i := 0; i < spin; i++ { 
            for l.key == mutex_unlocked { 
                if atomic.Cas(key32(&l.key), mutex_unlocked, wait) { 
                    return 
                } 
            } 
            // PAUSE 
            procyield(active_spin_cnt) 
        } 
        // 再嘗試搶鎖, rescheduling. 
        for i := 0; i < passive_spin; i++ { 
            for l.key == mutex_unlocked { 
                if atomic.Cas(key32(&l.key), mutex_unlocked, wait) { 
                    return 
                } 
            } 
            osyield() 
        } 
        // 再嘗試搶鎖，并把key設(shè)置為mutex_sleeping,如果搶鎖成功，返回 
        v = atomic.Xchg(key32(&l.key), mutex_sleeping) 
        if v == mutex_unlocked { 
            return 
        } 
         
        // 否則sleep等待 
        wait = mutex_sleeping 
        futexsleep(key32(&l.key), mutex_sleeping, -1) 
    } 
} 

unlock

如果不使用lock ranking特性，unlock的邏輯主要是由unlock2實(shí)現(xiàn)的。

func unlock(l *mutex) { 
    unlockWithRank(l) 
} 
func unlockWithRank(l *mutex) { 
    unlock2(l) 
} 
func unlock2(l *mutex) { 
    // 將key的值設(shè)置為mutex_unlocked 
    v := atomic.Xchg(key32(&l.key), mutex_unlocked) 
    if v == mutex_unlocked { 
        throw("unlock of unlocked lock") 
    } 
    // 如果原來有線程在sleep,喚醒它 
    if v == mutex_sleeping { 
        futexwakeup(key32(&l.key), 1) 
    } 
    //得到當(dāng)前的goroutine以及和它關(guān)聯(lián)的m,將鎖的計數(shù)減1 
    gp := getg() 
    gp.m.locks-- 
    if gp.m.locks < 0 { 
        throw("runtime·unlock: lock count") 
    } 
    if gp.m.locks == 0 && gp.preempt { // restore the preemption request in case we've cleared it in newstack 
        gp.stackguard0 = stackPreempt 
    } 
} 

總體來說，運(yùn)行時的mutex邏輯還不太復(fù)雜，主要是需要處理不同的架構(gòu)的實(shí)現(xiàn)，它休眠喚醒的對象是m,而sync.Mutex休眠喚醒的對象是g。