golang 系列: mutex 讲解
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发布时间：2024-09-29 03:28
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时间：2024-10-01 22:22
mutex的源代码位于src/sync/mutex.go文件，其结构简洁，关键在于信号量标记位sema。信号量机制用于管理goroutine之间的阻塞与唤醒。理解信号量与PV原语操作有助于我们更好地掌握mutex的功能。
PV原语解释了信号量S的用途：当S>0时，表示有S个资源可用；S=0时，表示无资源可用；S<0时，其绝对值表示等待队列中的进程数量。S的初始值应大于等于0。P操作是请求资源，原子性地将S减1，若减1后S仍大于等于0，则继续执行；若减1后S<0，则进程被阻塞并加入等待队列。V操作是释放资源，原子性地将S加1，若加1后S仍大于0，则继续执行；若加1后S≤0，则唤醒等待队列中的进程。
mutex通过信号量实现了goroutine的阻塞与唤醒，其本质上是关于信号量的阻塞唤起操作。当goroutine无法获取锁资源时会被挂起阻塞，无法执行后续代码逻辑。当mutex释放锁资源时，会唤醒之前阻塞的goroutine以抢占锁资源。
mutex的状态标志位由32位组成，其中低3位分别表示唤醒状态、上锁状态和饥饿状态，剩余位表示当前阻塞等待的goroutine数量。mutex根据state状态进入正常模式、饥饿模式或自旋模式。
在正常模式下，当调用Unlock()方法释放锁资源时，如果发现等待唤起的goroutine队列，会唤醒队头的goroutine。队头的goroutine被唤醒后，尝试使用CAS方法修改state状态，成功则表示成功获取锁资源。
饥饿模式发生在队头goroutine无法在一定时间内获取锁资源，且有新来的goroutine尝试获取资源的情况下。在这种情况下，Go会直接将锁资源交给队头goroutine，并将当前状态改为饥饿模式。后面的新来goroutine会直接添加到等待队列的队尾。
当锁资源长时间被占用时，为了减少阻塞唤起goroutine的开销，mutex会让当前的goroutine空转CPU，直到不满足自旋条件，最终加入等待队列。自旋条件需满足特定要求，以避免不必要的CPU消耗。
mutex的Lock()过程如下：如果m.state=0，即没有goroutine占有资源，也不需要阻塞等待唤起的goroutine。尝试使用CAS方法占有锁资源，不执行其他操作。若不满足m.state=0，进一步判断是否需要自旋。如果不需要自旋或自旋后仍无法获取资源，则调用runtime_SemacquireMutex函数阻塞当前goroutine并加入等待队列。当锁资源释放，mutex唤醒队头的goroutine后，队头goroutine尝试占有锁资源，此时可能与其他新来的goroutine竞争。当队头goroutine长时间无法获取资源时，进入饥饿模式，直接将锁资源交给队头goroutine，让新来的goroutine阻塞并加入等待队列的队尾。
Unlock过程相对简单，只需检查是否存在等待唤起的goroutine。在正常模式下，直接唤醒队头goroutine。在饥饿模式下，将锁资源交给队头goroutine，并唤醒它继续运行。
接下来，我们将详细解析mutex的Lock()和Unlock()方法的代码流程，提供更深入的理解。对于感兴趣的朋友，欢迎关注公众号「阅新技术」，获取更多推送文章。感谢大家的支持！
