Go 语言中的锁源码实现:Mutex

PeacockCyril 发布于1月前
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上一篇文章我提到了锁,准确地说是信号量(semaphore, mutext 是 semaphore 的一种)的实现方式有两种:wait的时候忙等待或者阻塞自己。

//忙等待wait(S) {while(S<=0) ; //no-op S--}//阻塞wait(semaphore *S) { S->value--;if (S->value < 0) {add this process to S->list; block() }}

忙等待和阻塞方式各有优劣:

  • 忙等待会使 CPU 空转,好处是如果在当前时间片内锁被其他进程释放,当前进程直接就能拿到锁而不需要 CPU 进行进程调度了。适用于锁占用时间较短的情况,且不适合于单处理器。

  • 阻塞不会导致 CPU 空转,但是进程切换也需要代价,比如上下文切换,CPU Cache Miss。

下面看一下 Go 语言中的源码里面是怎么实现锁的。Go 语言里面的锁有两个特性:

  • 不支持嵌套锁

  • 可以一个goroutine lock,另一个goroutine unlock

1. 互斥锁

golang中的互斥锁定义在`src/sync/mutex.go`

// A Mutex is a mutual exclusion lock.// Mutexes can be created as part of other structures;// the zero value for a Mutex is an unlocked mutex.//// A Mutex must not be copied after first use.type Mutex struct { state int32 sema uint32}const ( mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked mutexWoken mutexWaiterShift = iota)

看上去也是使用信号量的方式来实现的。sema就是信号量,一个非负数;state表示Mutex的状态。mutexLocked表示锁是否可用(0可用,1被别的goroutine占用),mutexWoken=2表示mutex是否被唤醒,mutexWaiterShift=2表示统计阻塞在该mutex上的goroutine数目需要移位的数值。将3个常量映射到state上就是

state: |32|31|...|3|2|1| \__________/ | | | | | | | mutex的占用状态(1被占用,0可用) | | | mutex的当前goroutine是否被唤醒 | 当前阻塞在mutex上的goroutine数

1.1 Lock

下面看一下mutex的lock。

func (m *Mutex) Lock() { // Fast path: grab unlocked mutex. if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { if race.Enabled { race.Acquire(unsafe.Pointer(m)) } return } awoke := false iter := 0 for { old := m.state new := old | mutexLocked if old&mutexLocked != 0 { if runtime_canSpin(iter) { // Active spinning makes sense. // Try to set mutexWoken flag to inform Unlock // to not wake other blocked goroutines. if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 && atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) { awoke = true } runtime_doSpin() iter++ continue } new = old + 1<<mutexWaiterShift } if awoke { // The goroutine has been woken from sleep, // so we need to reset the flag in either case. if new&mutexWoken == 0 { panic("sync: inconsistent mutex state") } new &^= mutexWoken } if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) { if old&mutexLocked == 0 { break } runtime_Semacquire(&m.sema) awoke = true iter = 0 } } if race.Enabled { race.Acquire(unsafe.Pointer(m)) }}

这里要解释一下 atomic.CompareAndSwapInt32()atomic  包是由 Go 语言提供的 low-level 的原子操作封装,主要用来解决进程同步为题,官方并不建议直接使用。我在上一篇文章中说过,操作系统级的锁的实现方案是提供原子操作,然后基本上所有锁相关都是通过这些原子操作来实现。 CompareAndSwapInt32()  就是 int32 型数字的 compare-and-swap  实现。   的意思是 if *addr==old, *addr=new 。大部分操作系统支持  CAS ,x86指令集上的  CAS 汇编指令是  CMPXCHG 。下面我们继续看上面的lock函数。

if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) { if race.Enabled { race.Acquire(unsafe.Pointer(m)) } return}

首先先忽略  race.Enabled  相关代码,这个是 Go 做 race 检测时候用的,这个时候需要带上 -race,则race.Enabled被置为true。Lock函数的入口处先调用CAS尝试去获得锁,如果m.state==0,则将其置为1,并返回。

继续往下看,首先将m.state的值保存到old变量中,new=old|mutexLocked。直接看能让for退出的第三个if条件,首先调用CAS试图将m.state设置成new的值。然后看一下if里面,如果m.state之前的值也就是old如果没有被占用则表示当前goroutine拿到了锁,则break。我们先看一下new的值的变化,第一个if条件里面`new = old + 1<<mutexWaiterShift`,结合上面的mutex的state各个位的意义,这句话的意思表示mutex的等待goroutine数目加1。还有awoke为true的情况下,要将m.state的标志位取消掉,也就是这句`new &^= mutexWoken`的作用。继续看第三个if条件里面,如果里面的if判断失败,则走到runtime_Semacquire()。

看一下这个函数`runtime_Semacquire()`函数,由于golang1.5之后把之前C语言实现的代码都干掉了,所以现在很低层的代码都是go来实现的。通过源码中的定义我们可以知道这个其实就是信号量的wait操作:等待*s>0,然后减1。编译器里使用的是`sync_runtime.semacquire()`函数。

// Semacquire waits until *s > 0 and then atomically decrements it.// It is intended as a simple sleep primitive for use by the synchronization// library and should not be used directly.func runtime_Semacquire(s *uint32)//go:linkname sync_runtime_Semacquire sync.runtime_Semacquirefunc sync_runtime_Semacquire(addr *uint32) { semacquire(addr, true)}func semacquire(addr *uint32, profile bool) { gp := getg() if gp != gp.m.curg { throw("semacquire not on the G stack") } // Easy case. if cansemacquire(addr) { return } // Harder case: // increment waiter count // try cansemacquire one more time, return if succeeded // enqueue itself as a waiter // sleep // (waiter descriptor is dequeued by signaler) s := acquireSudog() root := semroot(addr) t0 := int64(0) s.releasetime = 0 if profile && blockprofilerate > 0 { t0 = cputicks() s.releasetime = -1 } for { lock(&root.lock) // Add ourselves to nwait to disable "easy case" in semrelease. atomic.Xadd(&root.nwait, 1) // Check cansemacquire to avoid missed wakeup. if cansemacquire(addr) { atomic.Xadd(&root.nwait, -1) unlock(&root.lock) break } // Any semrelease after the cansemacquire knows we're waiting // (we set nwait above), so go to sleep. root.queue(addr, s) goparkunlock(&root.lock, "semacquire", traceEvGoBlockSync, 4) if cansemacquire(addr) { break } } if s.releasetime > 0 { blockevent(s.releasetime-t0, 3) } releaseSudog(s)}

上面的代码有点多,我们只看和锁相关的代码。

root := semroot(addr) //seg 1atomic.Xadd(&root.nwait, 1) // seg 2root.queue(addr, s) //seg 3

seg 1 代码片段 semroot() 返回结构体 semaRoot。存储方式是先对信号量的地址做移位,然后做哈希(对251取模,这个地方为什么是左移3位和对251取模不太明白)。semaRoot 相当于和 mutex.sema 绑定。看一下 semaRoot 的结构:一个 sudog 链表和一个 nwait 整型字段。nwait 字段表示该信号量上等待的 goroutine 数目。head 和 tail 表示链表的头和尾巴,同时为了线程安全,需要使用一个互斥量来保护链表。这个时候细心的同学应该注意到一个问题,我们前面不是从 Mutex 跟过来的吗,相当于 Mutex 的实现了使用了 Mutex 本身?实际上 semaRoot 里面的 mutex 只是内部使用的一个简单版本,和 sync.Mutex不是同一个。现在把这些倒推回去, runtime_Semacquire()  的作用其实就是 semaphore 的 wait(&s):如果*s<0,则将当前goroutine塞入信号量s关联的goroutine waiting list,并休眠。

func semroot(addr *uint32) *semaRoot { return &semtable[(uintptr(unsafe.Pointer(addr))>>3)%semTabSize].root}type semaRoot struct { lock mutex head *sudog tail *sudog nwait uint32 // Number of waiters. Read w/o the lock.}// Prime to not correlate with any user patterns.const semTabSize = 251var semtable [semTabSize]struct { root semaRoot pad [sys.CacheLineSize - unsafe.Sizeof(semaRoot{})]byte}

现在  mutex.Lock()  还剩下 runtime_canSpin(iter) 这一段,这个地方其实就是锁的自旋版本。Go 对于自旋锁的取舍做了一些限制:

  • 多核;

  • GOMAXPROCS>1;

  • 至少有一个运行的P并且local的P队列为空。golang的自旋尝试只会做几次,并不会一直尝试下去,感兴趣的可以跟一下源码。

func sync_runtime_canSpin(i int) bool { // sync.Mutex is cooperative, so we are conservative with spinning. // Spin only few times and only if running on a multicore machine and // GOMAXPROCS>1 and there is at least one other running P and local runq is empty. // As opposed to runtime mutex we don't do passive spinning here, // because there can be work on global runq on on other Ps. 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}func sync_runtime_doSpin() { procyield(active_spin_cnt)}

1.2 Unlock

Mutex 的 Unlock 函数定义如下

// Unlock unlocks m.// It is a run-time error if m is not locked on entry to Unlock.//// A locked Mutex is not associated with a particular goroutine.// It is allowed for one goroutine to lock a Mutex and then// arrange for another goroutine to unlock it.func (m *Mutex) Unlock() { if race.Enabled { _ = m.state race.Release(unsafe.Pointer(m)) } // Fast path: drop lock bit. new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked) if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 { panic("sync: unlock of unlocked mutex") } old := new for { // If there are no waiters or a goroutine has already // been woken or grabbed the lock, no need to wake anyone. if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 { return } // Grab the right to wake someone. new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) { runtime_Semrelease(&m.sema) return } old = m.state }}

函数入口处的四行代码和 race detection 相关,暂时不用管。接下来的四行代码是判断是否是嵌套锁。new是m.state-1之后的值。我们重点看 for 循环内部的代码。

if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 { return}

这两句是说:如果阻塞在该锁上的goroutine数目为0或者mutex处于lock或者唤醒状态,则返回。

new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWokenif atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) { runtime_Semrelease(&m.sema) return}

这里先将阻塞在mutex上的 goroutine 数目减一,然后将 mutex 置于唤醒状态。 runtime_Semrelease  和  runtime_Semacquire  的作用刚好相反,将阻塞在信号量上 goroutine 唤醒。有人可能会问唤醒的是哪个goroutine,那么我们可以看一下goroutine wait list的入队列和出队列代码。

func (root *semaRoot) queue(addr *uint32, s *sudog) { s.g = getg() s.elem = unsafe.Pointer(addr) s.next = nil s.prev = root.tail if root.tail != nil { root.tail.next = s } else { root.head = s } root.tail = s}func (root *semaRoot) dequeue(s *sudog) { if s.next != nil { s.next.prev = s.prev } else { root.tail = s.prev } if s.prev != nil { s.prev.next = s.next } else { root.head = s.next } s.elem = nil s.next = nil s.prev = nil}

如上所示,wait list入队是插在队尾,出队是从头出。

到这里本篇文章就结束了,通过对锁的源码阅读大概也能知道性能损耗在什么环节了,下一篇看一下读写锁的实现。

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  • heavygoose
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