锁是为了避免竞争而建立的并发控制手段，为有序地访问共享资源。 互斥锁mutex

Mutex为一结构体类型，对外暴露Lock与Unlock接口。加锁与解锁要成对出现（应加锁后，立即用defer解锁），重复解锁会引起panic。

Mutex内存布局：
Mutex内存布局

Mutex有以下状态：

  • Locked：是否已被锁定（0：没锁定，1：锁定）；
  • Woken：是否有协程已被唤醒，正处于加锁状态（0：无协程唤醒，1：有协程唤醒）；
  • Starving：是否处于饥饿状态（0：没有饥饿，1：饥饿状态）；
  • Waiter：阻塞的等待锁的协程数（解锁时据此判断是否要释放信号量）；

加解锁

协程间抢锁实际上是抢给Locked赋值的权利（能给Locked域置1，说明抢锁成功）；抢不到的阻塞等待Mutex.sema信号量。

Woken状态用于加锁和解锁过程的通信；处于自旋状态的加锁协程会把Woken标记为1，通知解锁协程不必释放信号量了。

加锁、唤醒示意图（最基本的情形）：
加解锁示意图

正常模式下，被阻塞的协程会进入等待队列；当持有锁协程释放锁时，会释放唤醒信号来唤醒等待的协程。

自旋

自旋对应于CPU的‘PAUSE’指令（CPU空转），不同于sleep，其不需要把协程转为睡眠状态；加锁时程序会自动判断是否可自旋，自旋必须满足（要不忙）：

  • 自旋次数要足够小（通常最多不超4次）；
  • CPU核数要大于1（否则自旋无意义）；
  • 协程调度机制中的Process数量要大于1；
  • 协程调度机制中可运行队列必须为空；

自旋优势是更充分利用CPU，尽量避免协程切换。若自旋过程中获得锁，那么之前被阻塞协程将无法获得锁，从而可能会进入饥饿状态；为避免协程长时间无法获取锁，自1.8版本后，Mutex增加了Starving状态，此状态下不会自旋（释放锁时，一定会唤醒一个协程并让其成功加锁）。

加锁模式

每个Mutex都有两个模式，称为Normal和Starving：

  • Normal模式：若加锁不成功，不会立即转入阻塞队列，而是判断是否满足自旋条件；
  • Starvation模式：处于饥饿模式下，不会启动自旋过程；一旦有协程释放了锁，那么一定会唤醒协程，被唤醒的协程将会成功获取锁，同时也会把等待计数减1。

释放锁时如果发现有阻塞等待的协程，还会释放一个信号量来唤醒一个等待协程，被唤醒的协程得到CPU后开始运行，此时发现锁已被抢占了，自己只好再次阻塞，不过阻塞前会判断自上次阻塞到本次阻塞经过了多长时间，如果超过1ms的话，会将Mutex标记为”饥饿”模式，然后再阻塞。

基本使用

sync包中提供了锁相关的一系列同步原语，用于加解锁：

import (
	"fmt"
	"sync"
)

func ShowMutex() {
	var syn sync.Mutex
	var count = 0

	var wg sync.WaitGroup
	wg.Add(10)

	for i := 0; i < 10; i++ {
		go func() {
			defer wg.Done()
			for j := 0; j < 100000; j++ {
				syn.Lock()
				count++
				syn.Unlock()
			}
		}()
	}

	wg.Wait()
	fmt.Println(count)
}
读写锁rwmutex

读写互斥锁，可增加并发能力（程序中一般是读多、写少）：

  • 写锁阻塞其他写锁；
  • 写锁阻塞读锁；
  • 读锁阻塞写锁；
  • 读锁不阻塞读锁；

接口

RWMutex提供了四个接口：

  • RLock（读锁定）：增加读操作计数，（若有写操作）阻塞等待写操作结束；
  • RUnlock（读解锁）：减少读操作计数，（最后一个读操作、且有写锁定）唤醒等待等待写操作的协程；
  • Lock（写锁定）：获取互斥锁，（若有读操作）等待所有读操作结束；
  • Unlock（写解锁）：唤醒因读锁定而被阻塞的协程（若有），解除互斥锁；

读写锁定义：

type RWMutex struct {
	w Mutex //用于控制多个写锁， 获得写锁首先要获取该锁， 如果有一个写锁在进行， 那么再到来的写锁将会阻塞于此
	writerSem uint32 //写阻塞等待的信号量， 最后一个读者释放锁时会释放信号量
	readerSem uint32 //读阻塞的协程等待的信号量， 持有写锁的协程释放锁后会释放信号量
	readerCount int32 //记录读者个数
	readerWait int32 //记录写阻塞时读者个数
}

互斥

写阻塞读

写操作是如何阻止读操作的：

  • readerCount是个整型值，用于表示读者数量，不考虑写操作的情况下，每次读锁定将该值+1，每次解除读锁定将该值-1，所以readerCount取值为[0,N]（N为读者个数，最大可支持 2 30 2^{30} 230个并发读者）。
  • 当写锁定进行时，会先将readerCount减去 2 30 2^{30} 230，从而readerCount变成了负值，此时再有读锁定到来时检测到readerCount为负值，便知道有写操作在进行，只好阻塞等待。
  • 真实的读操作个数并不会丢失，只需要将readerCount加上 2 30 2^{30} 230即可获得。

读阻塞写

读操作是如何阻止写操作的：

  • 读锁定会先将readerCount加1，此时写操作到来时发现读者数量不为0，会阻塞等待所有读操作结束。

避免饿死

为什么写锁定不会被饿死：

  • 写操作到来时，会把readerCount值拷贝到readerWait中，用于标记排在写操作前面的读者
    个数。
  • 读操作结束后，除了会递减readerCount，还会递减readerWait值，当readerWait值变为0时唤醒写操作。