golang mutex两加两解助你实现高并发控制

天下之事常成于困约，而败于奢靡。——陆游

1 前言

互斥锁是并发程序中对共享资源进行访问控制的主要手段，因此Go设计者提供了非常简单易用的Mutex供我们使用，接下来我们从源码剖析实现原理，又不会过分纠结于实现细节。

2 Mutex数据结构

2.1 结构体定义

type Mutex struct {    state int32    sema  uint32}

• state表示互斥锁的状态，比如是否被锁定等
• sema表示信号量，协程阻塞等待该信号量，解锁的协程释放信号量从而唤醒等待信号量的协程。

state是32位的整型变量，内部实现时把该变量分成四份，用于记录Mutex的四种状态,如下图：

• Locked: 表示该Mutex是否已被锁定，0：没有锁定 1：已被锁定。
• Woken: 表示是否有协程已被唤醒，0：没有协程唤醒 1：已有协程唤醒，正在加锁过程中。
• Starving：表示该Mutex是否处于饥饿状态， 0：没有饥饿 1：饥饿状态，说明有协程阻塞了超过1ms。
• Waiter: 表示阻塞等待锁的协程个数，协程解锁时根据此值来判断是否需要释放信号量。

协程之间抢锁实际上是抢给Locked赋值的权利，能给Locked字段置为1，就说明抢锁成功。抢不到的话就阻塞等待sema信号量，一旦持有锁的协程解锁，等待的协程会依次被唤醒。

Woken和Starving主要用于控制协程间的抢锁过程。

2.2 方法

Mutext对外提供两个方法：

• Lock() : 加锁方法
• Unlock(): 解锁方法

下面我们分析一下加锁和解锁的过程，加锁分成功和失败两种情况，成功的话直接获取锁，失败后当前协程被阻塞，同样，解锁时跟据是否有阻塞协程也有两种处理。

3 加锁

3.1 简单加锁

假如当前只有一个goroutine在加锁，没有其他goroutine干扰，那么加锁过程如下图：

加锁过程会去判断Locked标志位是否为0，如果是0则把Locked位置1，代表加锁成功。从上图可见，加锁成功后，只是Locked位置1，其他状态位没发生变化。

3.2 加锁被阻塞

假如加锁时，锁已经被其他goroutine占用了，此时加锁过程如下图：

从上图可看到，当goroutine-B对一个已被占用的锁再次加锁时，Waiter计数器增加1，此时goroutine-B将被阻塞，直到Locked值变为0后才会被唤醒。

4 解锁

4.1 简单解锁

假如解锁时，没有其他goroutine阻塞，此时解锁过程如下图： 

由于没有其他goroutine阻塞等待加锁，所以此时解锁时只需要把Locked位置为0即可，不需要释放信号量。

4.2 解锁并唤醒协程

假如解锁时，有1个或多个goroutine阻塞，此时解锁过程如下图:

goroutine-A解锁过程分为两个步骤，一是把Locked位置为0，二是查看到Waiter>0，所以释放一个信号量，唤醒一个阻塞的goroutine，被唤醒的goroutine-B把Locked位置为1，于是goroutine-B获得锁。

5 小结

目前没有涉及到大量源码，因为mutex的源码本身比较多，由于篇幅关系这里只是提取了mutex的实现原理，但是还有部分细节准备在下次分享中继续讨论，比如自旋，工作模式以及饥饿模式等。

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