Golang 互斥锁内部实现

go语言提供了一种开箱即用的共享资源的方式，互斥锁(sync.Mutex), sync.Mutex的零值表示一个没有被锁的，可以直接使用的，一个goroutine获得互斥锁后其他的goroutine只能等到这个gorutine释放该互斥锁,在Mutex结构中只公开了两个函数，分别是Lock和Unlock，在使用互斥锁的时候非常简单，本文并不阐述使用。

在使用sync.Mutex的时候千万不要做值拷贝，因为这样可能会导致锁失效。当我们打开我们的IDE时候跳到我们的sync.Mutex 代码中会发现它有如下的结构:

type Mutex struct {
	state int32     //互斥锁上锁状态枚举值如下所示
	sema  uint32    //信号量，向处于Gwaitting的G发送信号
}

const (
	mutexLocked = 1 << iota // 1 互斥锁是锁定的
	mutexWoken              // 2 唤醒锁
	mutexWaiterShift = iota // 2 统计阻塞在这个互斥锁上的goroutine数目需要移位的数值
)

上面的state值分别为 0(可用) 1(被锁) 2~31等待队列计数

下面是互斥锁的源码，这里会有四个比较重要的方法需要提前解释，分别是runtime_canSpin，runtime_doSpin，runtime_SemacquireMutex，runtime_Semrelease，

1、runtime_canSpin：比较保守的自旋，golang中自旋锁并不会一直自旋下去，在runtime包中runtime_canSpin方法做了一些限制, 传递过来的iter大等于4或者cpu核数小等于1，最大逻辑处理器大于1，至少有个本地的P队列，并且本地的P队列可运行G队列为空。

//go:linkname sync_runtime_canSpin sync.runtime_canSpin
func sync_runtime_canSpin(i int) bool {
	if i >= active_spin || ncpu <= 1 || gomaxprocs <= int32(sched.npidle+sched.nmspinning)+1 {
		return false
	}
	if p := getg().m.p.ptr(); !runqempty(p) {
		return false
	}
	return true
}

2、 runtime_doSpin：会调用procyield函数，该函数也是汇编语言实现。函数内部循环调用PAUSE指令。PAUSE指令什么都不做，但是会消耗CPU时间，在执行PAUSE指令时，CPU不会对它做不必要的优化。

//go:linkname sync_runtime_doSpin sync.runtime_doSpin
func sync_runtime_doSpin() {
	procyield(active_spin_cnt)
}

3、runtime_SemacquireMutex:

//go:linkname sync_runtime_SemacquireMutex sync.runtime_SemacquireMutex
func sync_runtime_SemacquireMutex(addr *uint32) {
	semacquire(addr, semaBlockProfile|semaMutexProfile)
}

4、runtime_Semrelease:

//go:linkname sync_runtime_Semrelease sync.runtime_Semrelease
func sync_runtime_Semrelease(addr *uint32) {
	semrelease(addr)
}

Mutex的Lock函数定义如下

func (m *Mutex) Lock() {
        //先使用CAS尝试获取锁
	if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
                //这里是-race不需要管它
		if race.Enabled {
			race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
		}
                //成功获取返回
		return
	}

	awoke := false  //循环标记
	iter := 0       //循环计数器
	for {
		old := m.state //获取当前锁状态
		new := old | mutexLocked  //将当前状态最后一位指定1
		if old&mutexLocked != 0 { //如果所以被占用
			if runtime_canSpin(iter) { //检查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标记为true
					awoke = true
				}
                                //进入自旋状态
				runtime_doSpin()
				iter++
				continue
			}
                        //没有获取到锁，当前G进入Gwaitting状态
			new = old + 1<<mutexWaiterShift
		}
		if awoke {
			if new&mutexWoken == 0 {
				throw("sync: inconsistent mutex state")
			}
                        //清除标记
			new &^= mutexWoken
		}
                //更新状态
		if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
			if old&mutexLocked == 0 {
				break
			}
                         
                        // 锁请求失败,进入休眠状态,等待信号唤醒后重新开始循环
			runtime_SemacquireMutex(&m.sema)
			awoke = true
			iter = 0
		}
	}

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

Mutex的Unlock函数定义如下

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

	// 移除标记
	new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
	if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
		throw("sync: unlock of unlocked mutex")
	}

	old := new
	for {
		//当休眠队列内的等待计数为0或者自旋状态计数器为0，退出
		if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 {
			return
		}
		// 减少等待次数，添加清除标记
		new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
		if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
                        // 释放锁,发送释放信号
			runtime_Semrelease(&m.sema)
			return
		}
		old = m.state
	}
}

互斥锁无冲突是最简单的情况了，有冲突时，首先进行自旋，，因为大多数的Mutex保护的代码段都很短，经过短暂的自旋就可以获得；如果自旋等待无果，就只好通过信号量来让当前Goroutine进入Gwaitting状态。