Mutex

简介

• 互斥锁，限制临界区同时只能由一个线程持有
• Mutex实现了Locker接口，对外提供两个接口，加锁用 Lock(), 退出加锁用 UnLock()
• Mutex不用初始化，直接声明就可以使用
• Mutex一般可以单独使用，也可以嵌入其他结构中进行封装，对外暴露接口。

实现

type Mutex struct {state int32sema  uint32
}

演进

• 初版 使用一个 flag 来表示锁是否被持有，所有 goroutine 进入队列排队执行，先来先得
  • 看似公平，但却不是最优。如果能将锁交给当前正在占用CPU的 goroutine，可以避免上下文切换。
• 给新人机会 让新来的 goroutine 与被唤醒的 goroutine 去竞争锁
  • 修改之前的flag字段，赋予三层含义。最低位表示这个锁是否被持有，第二位表示是否有被唤醒的 goroutine，其余位用来表示正在等待此锁的 goroutine数量。
• 多给些机会 新来的 goroutine 与被唤醒的 goroutine 如果能获取到锁，不用挂起，可以节省很多上下文切换的时间，因此加入自旋让新来的多几次机会尝试获取锁。
• 解决饥饿 由于前边的种种机制，会带来饥饿问题，所以目前又加上了解决饥饿的方案
  • 在 state 字段第三位 添加饥饿标志
  • 正常模式和饥饿模式
    • 正常模式下，waiter都是进入先进先出队列，被唤醒的waiter会和新来的 goroutine 进行竞争。如果被唤醒的waiter超过1ms获取不到锁，那么这个锁就进入饥饿模式
    • 在饥饿模式下，该锁会退化为原始的先进先出队列，新来的goroutine只会加到队列末尾，锁释放出来后直接交给队列最前面的waiter。
    • 如果该锁已经没有其他waiter或者其他waiter等待时间小于1ms，则退出饥饿模式

易错点

• Lock/Unlock不成对出现
  • Unlock一个为加锁的Mutex会直接 panic
• Copy已经使用的Mutex
  • Mutex的 state 字段是有状态的，会有复制一个已经加锁的锁的可能
• 重入
  • Mutex是不可重入锁。Mutex根本就没有记录当前持有锁的goroutine，无法重入
• 死锁
  • 产生死锁的四个条件：互斥、持有和等待、不可剥夺、环路等待

RWMutex

简介

• 读写锁，可以将串行读变为并发读。RWMutex在某一时刻只能由任意数量的 reader 持有或者由一个 writer 持有
• 读写锁对外提供了5个方法。
  • Lock/Unlock：写操作时调用。如果锁已经被 reader 或者 writer持有，就会一直等待，直到获取到锁
  • RLock/RUnlock：读操作时调用的方法。如果锁已经被 writer 持有，则会一直阻塞，直到获取到锁
  • RLocker:该方法会返回一个 Locker 接口的对象，其Lock/Unlock方法均对应 RWMutex的 RLock/RUnlock
• RWMutex不用初始化，直接声明就可以使用
• 如果有读写明确区分，且大量并发读，少量并发写的场景，可以考虑使用RwMutex

实现

读写锁在很多语言都有实现。go语言的RWMutex是基于Mutex实现的

type RWMutex struct {w           Mutex  // 写优先的读写锁writerSem   uint32  // 写信号量readerSem   uint32  // 读信号量readerCount int32   // 当前 reader 的数量readerWait  int32   // 记录 writer 请求锁时，需要等待 reader 的数量
}const rwmutexMaxReaders = 1 << 30 // reader 的最大数量

RLock/RUnlock的实现

• RLock 如果 readerCount为负数，说明当前有 writer在等待请求锁，该 reader需要阻塞等待唤醒。不为负数则成功获取到读锁
• RUnlock 释放读锁，对readerCount减一。如果 readerCount为负数，说明当前有 writer 在等待 读锁，需要调用 rUnlockSlow 方法，检验是不是所有reader都已经释放了，如果都已经释放，就可以通过 writerSem 信号量唤醒挂起的 writer

Lock的实现

• 一旦有 writer 获得了 RWMutex 内部的 互斥锁 Mutex，就会反转 readerCount字段，将原来的正数变为负数，表示当前已经有writer在等待该读写锁。（反转的方法是 减去 rwmutexMaxReaders 常数）
• 如果readerCount不为0，就说明当前有持有读锁的 reader，需要吧当前的 readerCount 赋值给 readerWait 保存下来。每当一个reader 释放读锁，readerWait字段就减一，直到所有 持有读锁的 reader 都释放完，才会唤醒这个 writer

Unlock的实现

• 当一个 writer 要释放锁时，会再次反转 readerCount 字段。
• 便利释放所有等待的 reader
• 释放内部的 mutex

易错点

• 不可复制
  • 读写错是有状态的，内部还包含互斥锁，因此同样不可复制
• 重入导致死锁
  • 读写锁内部基于互斥锁 实现对 writer 的并发访问，因此和Mutex一样存在重入问题
• 释放未加锁的RWMutex
  • 同Mutex