一文掌握Go语言并发编程必备的Mutex互斥锁

2023-05-18 05:45

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在并发编程中，我们需要处理多个线程同时对共享资源的访问问题。如果不加控制地同时访问共享资源，就会导致竞争条件（Race Condition）问题，从而导致程序出现不可预知的错误。为了解决这个问题，Go 语言提供了 sync 包，其中包括 Mutex 互斥锁、RWMutex 读写锁等同步机制，本篇博客将着重介绍 Mutex 互斥锁的基本原理。

1. Mutex 互斥锁的基本概念

Mutex 是 Mutual Exclusion（互斥）的缩写，用于保护共享资源。当一个goroutine 获取了 Mutex 的锁之后，其他的 goroutine 就无法再获取到这个 Mutex 的锁，直到这个 goroutine 释放了这个 Mutex 的锁，其他 goroutine 才能继续尝试获取这个 Mutex 的锁。

Mutex 互斥锁包含两个状态：锁定和未锁定。当一个 goroutine 获取了 Mutex 的锁，Mutex 就处于锁定状态，其他的 goroutine 就只能等待这个 goroutine 释放这个 Mutex 的锁，才能再次尝试获取这个 Mutex 的锁。当一个 goroutine 释放了 Mutex 的锁，Mutex 就处于未锁定状态，此时其他的 goroutine 可以获取这个 Mutex 的锁。

Mutex 互斥锁使用的是二进制信号量的概念，当 Mutex 处于锁定状态时，就相当于信号量为 0，其他 goroutine 只能等待；当 Mutex 处于未锁定状态时，就相当于信号量为 1，其他 goroutine 可以尝试获取这个 Mutex 的锁。

2. Mutex 互斥锁的基本用法

Mutex 互斥锁的基本用法如下：

package main

import (
    "fmt"
    "sync"
    "time"
)

func main() {
    var wg sync.WaitGroup
    var mu sync.Mutex
    var count int

    for i := 0; i < 10; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            mu.Lock()
            defer mu.Unlock()
            count++
            fmt.Println(count)
            time.Sleep(time.Millisecond)
            wg.Done()
        }()
    }

    wg.Wait()
}

在上面的例子中，我们创建了 10 个 goroutine，每个 goroutine 都会获取 Mutex 的锁，对共享变量 count 进行自增操作，并打印 count 的值。在获取 Mutex 的锁后，我们使用 defer 语句来保证在 goroutine 结束时释放 Mutex 的锁。最后，我们使用 WaitGroup 来等待所有 goroutine 结束。

由于 Mutex 互斥锁是排他性的，因此在同一时刻只有一个 goroutine 可以获取 Mutex 的锁，其他的 goroutine 只能等待。在上面的例子中，我们通过 Mutex 互斥锁来保证了 count 的原子性操作，从而避免了竞争条件问题。

3. Mutex 互斥锁的底层实现

Mutex 互斥锁的底层实现使用了操作系统提供的原语（Primitive），如互斥量（Mutex）、临界区（Critical Section）等。在不同的操作系统中，Mutex 互斥锁的底层实现可能有所不同。

在 Linux 系统中，Mutex 互斥锁的底层实现主要使用了 futex（Fast User-space Mutex）机制。futex 是 Linux 系统提供的一种快速用户空间互斥量机制，可以实现用户空间的原子操作。

Mutex 互斥锁的底层实现主要包括两个部分：等待队列和锁状态。

3.1 等待队列

当一个 goroutine 尝试获取 Mutex 的锁时，如果 Mutex 已经被其他 goroutine 获取，那么这个 goroutine 就会进入等待队列中等待。等待队列是一个链表，每个节点代表一个等待 goroutine。

当一个 goroutine 释放 Mutex 的锁时，会唤醒等待队列中的第一个 goroutine。唤醒的操作主要包括两个步骤：

将等待队列中的第一个节点从链表中移除，并将其状态设置为可运行（Runnable）状态。
将移除的节点中的 goroutine 添加到调度器的可运行队列中，等待调度器将其调度执行。

3.2 锁状态

Mutex 互斥锁的锁状态主要包括两个部分：互斥标志和持有者标志。

互斥标志表示 Mutex 的状态，0 表示未锁定，1 表示锁定。互斥标志的原子操作主要使用了 Compare-and-Swap（CAS）指令。

持有者标志表示当前持有 Mutex 的 goroutine 的 ID。如果 Mutex 未被任何 goroutine 持有，那么持有者标志为 0。持有者标志的原子操作主要使用了 Load Linked（LL）和 Store Conditional（SC）指令。

当一个 goroutine 尝试获取 Mutex 的锁时，会先尝试使用 CAS 指令将互斥标志从 0 改为 1。如果 CAS 指令成功，那么这个 goroutine 就获得了 Mutex 的锁，并将持有者标志设置为当前 goroutine 的 ID。如果 CAS 指令失败，那么说明 Mutex 已经被其他 goroutine 获取，这个 goroutine 就会进入等待队列中等待。

当一个 goroutine 释放 Mutex 的锁时，会先将持有者标志设置为 0，然后再使用 LL 和 SC 指令将互斥标志从 1 改为 0。LL 指令用于加载互斥标志的值，SC 指令用于将互斥标志的值改为 0。LL 和 SC 指令是原子指令，可以保证操作的原子性。