在 Go 语言的世界里，互斥锁（Mutex）扮演着至关重要的角色，它是确保并发安全的关键工具之一。本文将深入探讨 Go 语言中互斥锁的原理、结构以及加锁和解锁流程，帮助读者更好地理解和应用这一强大的并发控制机制。

一、互斥锁的基本概念

在 Go 语言中，Mutex（即互斥锁，Mutual Exclusion 的缩写）本质上是一种确保在任何时刻仅有一个 goroutine 能够对共享资源进行操作的机制。这里的共享资源可以是一段代码、一个整数、一个映射（map）、一个结构体（struct）、一个通道（channel）或者几乎任何对象。

虽然这个解释并非严格的学术定义，但在实际应用中非常实用。在讨论互斥锁时，我们通常会从问题出发，探讨解决方案，然后深入底层了解其实际的组合方式。

二、为何需要 sync.Mutex

在使用 Go 语言中的映射（map）等共享资源时，如果没有进行适当的保护，多个 goroutine 同时访问和写入可能会导致出现“fatal error: concurrent map read and map write”这样令人不悦的错误。

这时，我们可以使用带有互斥锁的映射或者 sync.Map，但本文的重点是 sync.Mutex。它主要有三个操作：Lock?、Unlock? 和 TryLock?（本文暂不深入探讨 TryLock?）。

当一个 goroutine 锁定一个互斥锁时，就相当于在宣告：“嘿，我要使用这个共享资源。”其他所有的 goroutine 都必须等待，直到这个互斥锁被解锁。一旦操作完成，它应当解锁互斥锁，以便其他 goroutine 能够依次获得使用共享资源的机会。

例如，以下是一个简单的计数器示例：

在这个例子中，counter? 变量被 1000 个 goroutine 所共享。对于刚接触 Go 语言的人来说，可能会认为结果应该是 1000，但实际上由于出现了竞态条件，结果永远都不是 1000。竞态条件会在多个 goroutine 试图同时访问和更改共享数据而又没有进行适当同步的时候发生。在这个例子中，递增操作（counter++?）并非原子操作，它由多个步骤组成，在 ARM64 架构下的 Go 汇编代码如下：

?counter++? 是一个读 - 改 - 写操作，上述步骤并非原子性的，意味着它们不能作为一个不可分割、不可中断的操作来执行。例如，goroutine G1 读取了 counter? 的值，在它写入更新后的值之前，goroutine G2 读取了相同的值。然后它们都将自己的更新值写回去，但由于它们读取的是相同的原始值，所以实际上有一个递增操作被“丢失”了。

?

?使用互斥锁可以解决这个问题：

现在，结果正如我们所期望的那样是 1000。在这里，使用互斥锁非常简单：用 Lock? 和 Unlock? 包裹关键部分。但请注意，如果你在一个已经解锁的互斥锁上调用 Unlock?，将会导致一个致命错误 sync: unlock of unlocked mutex?。通常，使用 defer mutex.Unlock()? 是一个好主意，这样可以确保即使在发生错误时也能解锁互斥锁。

另外，通过设置 GOMAXPROCS? 为 1（通过运行 runtime.GOMAXPROCS(1)?）来运行程序，结果仍然会是正确的 1000。这是因为我们的 goroutine 将不会并行运行，而且由于函数足够简单，在运行过程中也不会被抢占。

三、互斥锁结构剖析

在深入探究 Go 语言中sync.Mutex?的加锁和解锁流程之前，我们先来剖析互斥锁的结构。

在 Go 中，互斥锁的核心由两个字段构成：state?和sema?。

1. state 字段

?state?字段是一个 32 位整数，用于表征互斥锁的当前状态。实际上，它被划分成多个位，这些位编码了关于互斥锁的各种信息。

• 已锁定（位 0）：表明互斥锁当前是否被锁定。若设置为 1，则表示互斥锁已被锁定，其他 goroutine 无法获取它。
• 已唤醒（位 1）：如果有任何 goroutine 已被唤醒并正在尝试获取互斥锁，此位则设置为 1。这样可以确保其他 goroutine 不会被不必要地唤醒。
• 饥饿模式（位 2）：该位表示互斥锁是否处于饥饿模式（设置为 1 时处于饥饿模式）。稍后我们将深入探讨此模式的具体含义。
• 等待者（位 3 - 31）：其余位用于追踪正在等待互斥锁的 goroutine 数量。

2. sema 字段

?sema?是一个uint32?类型，它作为信号量来管理并通知等待的 goroutine。当互斥锁被解锁时，会唤醒一个等待的 goroutine 以获取锁。与state?字段不同，sema?没有特定的位布局，而是依赖于运行时内部代码来处理信号量逻辑。

让我们根据图像对state?字段进行概述：

• 已锁定（位0）：表示互斥锁当前是否被锁定。如果设置为1，则表示互斥锁已被锁定，其他goroutine无法获取它。
• 已唤醒（位1）：如果有任何goroutine已被唤醒并正在尝试获取互斥锁，则设置为1。其他goroutine不应被不必要地唤醒。
• 饥饿模式（位2）：此位表示互斥锁是否处于饥饿模式（设置为1）。稍后我们将深入探讨此模式的含义。
• 等待者（位3-31）：其余位用于跟踪正在等待互斥锁的goroutine数量。

四、互斥锁的加锁流程

在mutex.Lock?函数当中，存在两种路径：快速路径用于应对常见情况，慢速路径则用于处理不常见的情形。

1. 快速路径

快速路径设计得极为迅速，预期能够处理大多数互斥锁未被占用时的加锁操作。此路径还会被内联，意味着它直接嵌入到调用函数之中。当快速路径中的 CAS（Compare And Swap）操作失败时，意味着状态字段不是 0，所以互斥锁当前处于锁定状态。

2. 慢速路径

真正的关键在于慢速路径m.lockSlow?，它承担了大部分繁重的工作。在慢速路径中，goroutine 会保持积极旋转以尝试获取锁，而不是直接进入等待队列。

“旋转”意味着 goroutine 进入一个紧密的循环，不断检查互斥锁的状态而不放弃 CPU。在这种情况下，它并非一个简单的for?循环，而是使用低级汇编指令来执行自旋等待。例如在 ARM64 架构上的这段代码：

汇编代码运行一个持续 30 个周期的紧密循环（runtime.procyield(30)?），不断让出 CPU 并减少自旋计数器。

经过旋转后，它会再次尝试获取锁。如果失败，它还有三次旋转机会，总共尝试最多 120 个周期。如果仍然无法获取锁，它会增加等待者计数，将自己放入等待队列，进入睡眠状态，等待信号唤醒后再次尝试。

旋转背后的理念是等待一小段时间，期望互斥锁能够很快被释放，这样 goroutine 就可以在不经过睡眠 - 唤醒周期的开销下获取锁。如果我们的计算机没有多个核心，那么旋转将不会被启用，因为它只会浪费 CPU 时间。

互斥锁有两种模式：正常模式和饥饿模式。在正常模式下，等待互斥锁的 goroutine 按照先进先出（FIFO）队列组织。当一个 goroutine 醒来尝试获取互斥锁时，它不会立即获得控制权，而是需要与任何此时也想获取互斥锁的新 goroutine 竞争。这种竞争对新 goroutine 有利，因为它们已经在 CPU 上运行，并且可以迅速尝试获取互斥锁，而队列中的 goroutine 仍在唤醒过程中。因此，刚刚醒来的 goroutine 可能会经常输给新的竞争者并被放回队列的前端。

如果 goroutine 很不幸，总是在新 goroutine 到达时醒来，那么它将永远无法获取锁。这就是为什么我们需要将互斥锁切换到饥饿模式。如果 goroutine 超过 1 毫秒未能获取锁，饥饿模式就会启动。在此模式下，当 goroutine 释放互斥锁时，它会直接将控制权传递给队列前端的 goroutine。这意味着没有竞争，没有新 goroutine 的争夺。它们甚至不会尝试获取锁，只是加入等待队列的末尾。

在上面的图像中，互斥锁继续为G1、G2等提供访问权限。每个等待中的goroutine都会获得控制权并检查两个条件：

• 它是否是等待队列中的最后一个goroutine。
• 它是否等待了不到一毫秒。

如果这两个条件中的任何一个为真，互斥锁就会切换回正常模式。

五、互斥锁解锁流程

解锁流程比加锁流程更为简单。我们仍然有两条路径：快速路径（内联）和慢速路径（处理异常情况）。

快速路径会清除互斥锁状态中的锁定位。如果清除这个位使状态变为零，则表示没有设置其他标志（如等待的 goroutine），我们的互斥锁现在完全空闲。

但如果状态不是零呢？这时慢速路径就会介入，并且需要知道我们的互斥锁是处于正常模式还是饥饿模式。

在正常模式下，如果有等待者且没有其他 goroutine 被唤醒或获取锁，互斥锁会尝试原子地递减等待者计数并设置mutexWoken?标志。如果成功，它会释放信号量以唤醒一个等待的 goroutine 来获取互斥锁。

在饥饿模式下，它会原子地增加信号量（mutex.sem?）并直接将互斥锁的所有权交给队列中的第一个等待 goroutine。runtime_Semrelease?的第二个参数决定了是否进行“移交”操作，此处为true?。

六、总结

Go 语言中的互斥锁是一个强大的工具，用于确保并发安全。通过深入理解互斥锁的结构和工作原理，我们可以更好地应用它来解决并发编程中的问题。