目錄：
1、mutex數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
2、加解鎖過程

• 2.1、簡單加鎖
• 2.2、加鎖被阻塞
• 2.3、簡單解鎖
• 2.4、解鎖并喚醒協(xié)程

3、自旋過程

• 3.1、什么是自旋
• 3.2、自旋條件
• 3.3、自旋的優(yōu)缺點

4、Mutex模式Normal和Starvation

1、mutex數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

源碼包 src/sync/mutex.go:Mutex 定義了互斥鎖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu):

type Mutex struct {
  state int32
  sema uint32
}

• Mutex.state表示互斥鎖的狀態(tài)，比如是否被鎖定等；

• Mutex.sema表示信號量，協(xié)程阻塞等待該信號量，解鎖的協(xié)程釋放信號量從而喚醒等待信號量的協(xié)程；
  我們看到Mutex.state是32位的整型變量，內(nèi)部實現(xiàn)時把該變量分成四份，用于記錄Mutex的四種狀態(tài)。 下圖展示Mutex的內(nèi)存布局:

  
  
  mutex-1.jpg

• Locked: 表示該Mutex是否已被鎖定，0:沒有鎖定 1:已被鎖定;

• Woken: 表示是否有協(xié)程已被喚醒，0:沒有協(xié)程喚醒 1:已有協(xié)程喚醒，正在加鎖過程中;

• Starving:表示該Mutex是否處理饑餓狀態(tài)， 0:沒有饑餓 1:饑餓狀態(tài)，說明有協(xié)程阻塞了超過1ms;

• Waiter: 表示阻塞等待鎖的協(xié)程個數(shù)，協(xié)程解鎖時根據(jù)此值來判斷是否需要釋放信號量;

協(xié)程之間搶鎖實際上是搶給Locked賦值的權(quán)利，能給Locked域置1，就說明搶鎖成功。搶不到的話就阻塞等待 Mutex.sema信號量，一旦持有鎖的協(xié)程解鎖，等待的協(xié)程會依次被喚醒。Woken和Starving主要用于控制協(xié)程間的搶鎖過程。

2、加解鎖過程：

Mutext對外提供兩個方法，實際上也只有這兩個方法:

• Lock() : 加鎖方法；
• Unlock(): 解鎖方法 ；
  面我們分析一下加鎖和解鎖的過程，加鎖分成功和失敗兩種情況，成功的話直接獲取鎖，失敗后當前協(xié)程被阻塞，同樣，解鎖時跟據(jù)是否有阻塞協(xié)程也有兩種處理。

2.1、簡單加鎖

假定當前只有一個協(xié)程在加鎖，沒有其他協(xié)程干擾，那么過程如下圖所示:

mutex-2.jpg

加鎖過程會去判斷Locked標志位是否為0，如果是0則把Locked位置1，代表加鎖成功。從上圖可見，加鎖成功后， 只是Locked位置1，其他狀態(tài)位沒發(fā)生變化。

2.2、加鎖被阻塞：

假定加鎖時，鎖已被其他協(xié)程占用了，此時加鎖過程如下圖所示:

mutex-3.jpg

從上圖可看到，當協(xié)程B對一個已被占用的鎖再次加鎖時，Waiter計數(shù)器增加了1，此時協(xié)程B將被阻塞，直到 Locked值變?yōu)?后才會被喚醒。

2.3、簡單解鎖：

假定解鎖時，沒有其他協(xié)程阻塞，此時解鎖過程如下圖所示:

mutex-4.jpg

由于沒有其他協(xié)程阻塞等待加鎖，所以此時解鎖時只需要把Locked位置為0即可，不需要釋放信號量。

2.4、解鎖并喚醒協(xié)程：

假定解鎖時，有1個或多個協(xié)程阻塞，此時解鎖過程如下圖所示:

mutex-5.jpg

協(xié)程A解鎖過程分為兩個步驟，一是把Locked位置0，二是查看到Waiter>0，所以釋放一個信號量，喚醒一個阻塞的 協(xié)程，被喚醒的協(xié)程B把Locked位置1，于是協(xié)程B獲得鎖。

3、自旋過程：

加鎖時，如果當前Locked位為1，說明該鎖當前由其他協(xié)程持有，嘗試加鎖的協(xié)程并不是馬上轉(zhuǎn)入阻塞，而是會持續(xù)
的探測Locked位是否變?yōu)?，這個過程即為自旋過程。 自旋時間很短，但如果在自旋過程中發(fā)現(xiàn)鎖已被釋放，那么協(xié)程可以立即獲取鎖。此時即便有協(xié)程被喚醒也無法獲取鎖，只能再次阻塞。
自旋的好處是，當加鎖失敗時不必立即轉(zhuǎn)入阻塞，有一定機會獲取到鎖，這樣可以避免協(xié)程的切換。

3.1、什么是自旋：

自旋對應(yīng)于CPU的”PAUSE”指令，CPU對該指令什么都不做，相當于CPU空轉(zhuǎn)，對程序而言相當于sleep了一小段時間，時間非常短，當前實現(xiàn)是30個時鐘周期。 自旋過程中會持續(xù)探測Locked是否變?yōu)?，連續(xù)兩次探測間隔就是執(zhí)行這些PAUSE指令，它不同于sleep，不需要將協(xié)程轉(zhuǎn)為睡眠狀態(tài)。

3.2、自旋條件：

加鎖時程序會自動判斷是否可以自旋，無限制的自旋將會給CPU帶來巨大壓力，所以判斷是否可以自旋就很重要了。 自旋必須滿足以下所有條件:

• 自旋次數(shù)要足夠小，通常為4，即自旋最多4次 ；
• CPU核數(shù)要大于1，否則自旋沒有意義，因為此時不可能有其他協(xié)程釋放鎖；
• 協(xié)程調(diào)度機制中的Process數(shù)量要大于1，比如使用GOMAXPROCS()將處理器設(shè)置為1就不能啟用自旋；
• 協(xié)程調(diào)度機制中的可運行隊列必須為空，否則會延遲協(xié)程調(diào)度；
  可見，自旋的條件是很苛刻的，總而言之就是不忙的時候才會啟用自旋。

3.3、自旋的優(yōu)缺點：

• 優(yōu)點：自旋的優(yōu)勢是更充分的利用CPU，盡量避免協(xié)程切換。因為當前申請加鎖的協(xié)程擁有CPU，如果經(jīng)過短時間的自旋可以 獲得鎖，當前協(xié)程可以繼續(xù)運行，不必進入阻塞狀態(tài)。
• 缺點：如果自旋過程中獲得鎖，那么之前被阻塞的協(xié)程將無法獲得鎖，如果加鎖的協(xié)程特別多，每次都通過自旋獲得鎖，那么之前被阻塞的進程將很難獲得鎖，從而進入饑餓狀態(tài)。

為了避免協(xié)程長時間無法獲取鎖，自1.8版本以來增加了一個狀態(tài)，即Mutex的Starving狀態(tài)。這個狀態(tài)下不會自 旋，一旦有協(xié)程釋放鎖，那么一定會喚醒一個協(xié)程并成功加鎖。

4、Mutex模式Normal和Starvation：

1)、normal模式：

默認情況下，Mutex的模式為normal。 該模式下，協(xié)程如果加鎖不成功不會立即轉(zhuǎn)入阻塞排隊，而是判斷是否滿足自旋的條件，如果滿足則會啟動自旋過。

2)、Starvation模式：

自旋過程中能搶到鎖，一定意味著同一時刻有協(xié)程釋放了鎖，我們知道釋放鎖時如果發(fā)現(xiàn)有阻塞等待的協(xié)程，還會釋放一個信號量來喚醒一個等待協(xié)程，被喚醒的協(xié)程得到CPU后開始運行，此時發(fā)現(xiàn)鎖已被搶占了，自己只好再次阻塞， 不過阻塞前會判斷自上次阻塞到本次阻塞經(jīng)過了多長時間，如果超過1ms的話，會將Mutex對象的state字段標記為”饑餓”模式，然后再阻塞。
處于饑餓模式下，不會啟動自旋過程，也即一旦有協(xié)程釋放了鎖，那么一定會喚醒協(xié)程，被喚醒的協(xié)程將會成功獲取 鎖，同時也會把等待計數(shù)減1。

3)、Woken狀態(tài)：

Woken狀態(tài)用于加鎖和解鎖過程的通信，舉個例子，同一時刻，兩個協(xié)程一個在加鎖，一個在解鎖，在加鎖的協(xié)程可 能在自旋過程中，此時把Woken標記為1，用于通知解鎖協(xié)程不必釋放信號量了，好比在說:你只管解鎖好了，不必釋放信號量，我馬上就拿到鎖了。