Golang锁的最佳实践

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锁的最佳实践

1. 减少持有时间，缩小临界区
2. 优化锁的粒度, 空间换时间
3. 读写分离，读写锁 & sync.Map
4. 使用原子操作，无锁数据结构

锁小结

1. 不要拷贝Mutex， 要拷贝就必须拷贝指针
2. Mutex 不可重入，容易死锁
3. atomic.Value应存入只读对象
4. race detector工具用于检测并发问题

锁的进化

1. 单核时代

单核时代，只需要屏蔽中断，就可以实现原子操作

但是系统调用性能太低

2. 近代：CAS

CMPXCHG DX,val 硬件级别的原子操作，compare and swap，CAS

CAS汇编:

LOCK前缀 = 锁定内存总线

低效：内存总线成为瓶颈

3. 现代：MESI

MESI缓存一致性

MESI協議是一個基於失效的緩存一致性協議，是支持寫回（write-back）緩存的最常用協議。也稱作伊利諾伊協議(Illinois protocol，因為是在伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校被發明的)。與寫穿（write through）緩存相比，回寫緩衝能節約大量帶寬。總是有「髒」（dirty）狀態表示緩存中的數據與主存中不同。MESI協議要求在緩存不命中（miss）且數據塊在另一個緩存時，允許緩存到緩存的數據複製。與MSI協議相比，MESI協議減少了主存的事務數量。這極大改善了性能。

状态

緩存行有4種不同的狀態:

已修改Modified (M)緩存行是髒的（dirty），與主存的值不同。如果別的CPU內核要讀主存這塊數據，該緩存行必須回寫到主存，狀態變為共享(S)。

獨占Exclusive (E)緩存行只在當前緩存中，但是乾淨的（clean）--緩存數據同於主存數據。當別的緩存讀取它時，狀態變為共享；當前寫數據時，變為已修改狀態。

共享Shared (S)緩存行也存在於其它緩存中且是乾淨的。緩存行可以在任意時刻拋棄。

無效Invalid (I)緩存行是無效的

任意一對緩存，對應緩存行的相容關係:

當塊標記為 M (已修改), 在其他緩存中的數據副本被標記為I(無效).

4. 自旋锁

linux内核中常见，基于CAS实现原子操作

适用于等待时间比较短的情况

实现

上述代码， 版本必须大于等于1.14

注意Go 1.14 之前版本无非抢占式调度，会导致死锁

1.14之后有抢占式调度了，没问题

原因分析:

1.14 之前版本无非抢占式调度，Go的调度器无法主动挂起一个goroutine，只能等到协程主动交出控制权，如果发送GC，需要stop the world，如下图

性能： 多个goroutine被同时唤醒，浪费CPU

公平： 可能抢不到锁（饥饿），导致p99耗时毛刺

5. Mutex

设计思路：效率优先，兼顾公平

效率： 正常模式

等待队列：先进先出

新手优势：先抢再排

等待超1ms -> 饥饿模式

公平： 饥饿模式

严格排队：队首接盘

牺牲效率：保P99

适时回归 正常模式

为什么正常模式效率更高？

1. 因为正常模式新任务进来不需要进入等待队列，减少调度开销
2. Goroutine 可以充分利用缓存（操作系统内存模型）

实现原理

CAS + 等待队列 + 正常/饥饿模式

state

state = 0: 空等待队列，正常模式，无唤醒，解锁。 Mutex的初始状态 或被最后一个goroutine解锁