如何理解Go运行时中的Mutex

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sync.Mutex是一个high  level的同步原语，是为广大的Go开发者开发应用程序提供的一种数据结构，现在它的内部实现逻辑比较复杂了，包含spin和饥饿处理等逻辑，它底层使用了运行时的low  level的一些函数和atomic的一些方法。

而运行时中的mutex是为运行时内部使用互斥锁而提供的一个同步原语，它提供了spin和等待队列，并没有去解决饥饿状态，而且它的实现和sync.Mutex的实现也是不一样的。它并没有以方法的方式提供Lock/Unlock,而是提供lock/unlock函数实现请求锁和释放锁。

Dan Scales 今年年初的时候又为运行时的锁增加了static locking rank的功能。他为运行时的架构无关的锁(  architecture-independent  locks)定义了rank,并且又定义了一些运行时的锁的偏序(此锁之前允许持有哪些锁)。这是运行时锁的一个巨大改变，但是很遗憾并没有一篇设计文档详细去描述这个功能的设计，你可以通过提交的comment(#0a820007)和代码中的注释去了解runtime内部锁的代码变化。

本质上来说，这个功能用来检查锁的顺序是不是按照文档设计的顺序执行的，如果有违反设定的顺序，就有可能死锁发生。因为缺乏准确的文档说明，并且这个功能主要是用来检查运行时锁的执行顺序的，所以在本文中我把这一段逻辑抹去不介绍了。实际Go运行时要开始这个检查的话，你需要设置变量GOEXPERIMENT=staticlockranking。

那么接下来我们看看运行时的mutex的数据结构的定义以及lock/unlock的实现。

运行时mutex数据结构

运行时的mutex数据结构很简单，如下所示，定义在runtime2.go中：

type mutex struct {     lockRankStruct     // Futex-based impl treats it as uint32 key,     // while sema-based impl as M* waitm.     // Used to be a union, but unions break precise GC.     key uintptr }

如果不启用lock ranking,其实lockRankStruct就是一个空结构：

type lockRankStruct struct { }

那么对于运行时的mutex,最重要的就是key字段了。这个字段针对不同的架构有不同的含义。

对于dragonfly、freebsd、linux架构，mutex会使用基于Futex的实现， key就是一个uint32的值。  Linux提供的Futex(Fast user-space mutexes)用来构建用户空间的锁和信号量。Go  运行时封装了两个方法，用来sleep和唤醒当前线程：

• futexsleep(addr uint32, val uint32, ns int64)：原子操作`if addr == val { sleep  }`。

• futexwakeup(addr *uint32, cnt uint32)：唤醒地址addr上的线程最多cnt次。

对于其他的架构，比如aix、darwin、netbsd、openbsd、plan9、solaris、windows，mutex会使用基于sema的实现，key就是M*  waitm。Go 运行时封装了三个方法，用来创建信号量和sleep/wakeup：

• func semacreate(mp *m):创建信号量

• func semasleep(ns int64) int32： 请求信号量，请求不到会休眠一段时间

• func semawakeup(mp *m)：唤醒mp

基于这两种实现，分别有不同的lock和unlock方法的实现，主要逻辑都是类似的，所以接下来我们只看基于Futex的lock/unlock。

请求锁lock

如果不使用lock ranking特性，lock的逻辑主要是由lock2实现的。

func lock(l *mutex) {     lockWithRank(l, getLockRank(l)) } func lockWithRank(l *mutex, rank lockRank) {     lock2(l) } func lock2(l *mutex) {     // 得到g对象     gp := getg()     // g绑定的m对象的lock计数加1     if gp.m.locks < 0 {         throw("runtime·lock: lock count")     }     gp.m.locks++     // 如果有幸运光环，原来锁没有被持有，一把就获取到了锁，就快速返回了     v := atomic.Xchg(key32(&l.key), mutex_locked)     if v == mutex_unlocked {         return     }     // 否则原来的可能是MUTEX_LOCKED或者MUTEX_SLEEPING     wait := v     // 单核不进行spin,多核CPU情况下会尝试spin     spin := 0     if ncpu > 1 {         spin = active_spin     }          for {         // 尝试spin,如果锁已经释放，尝试抢锁         for i := 0; i < spin; i++ {             for l.key == mutex_unlocked {                 if atomic.Cas(key32(&l.key), mutex_unlocked, wait) {                     return                 }             }             // PAUSE             procyield(active_spin_cnt)         }         // 再尝试抢锁, rescheduling.         for i := 0; i < passive_spin; i++ {             for l.key == mutex_unlocked {                 if atomic.Cas(key32(&l.key), mutex_unlocked, wait) {                     return                 }             }             osyield()         }         // 再尝试抢锁，并把key设置为mutex_sleeping,如果抢锁成功，返回         v = atomic.Xchg(key32(&l.key), mutex_sleeping)         if v == mutex_unlocked {             return         }                  // 否则sleep等待         wait = mutex_sleeping         futexsleep(key32(&l.key), mutex_sleeping, -1)     } }

unlock

如果不使用lock ranking特性，unlock的逻辑主要是由unlock2实现的。

func unlock(l *mutex) {     unlockWithRank(l) } func unlockWithRank(l *mutex) {     unlock2(l) } func unlock2(l *mutex) {     // 将key的值设置为mutex_unlocked     v := atomic.Xchg(key32(&l.key), mutex_unlocked)     if v == mutex_unlocked {         throw("unlock of unlocked lock")     }     // 如果原来有线程在sleep,唤醒它     if v == mutex_sleeping {         futexwakeup(key32(&l.key), 1)     }     //得到当前的goroutine以及和它关联的m,将锁的计数减1     gp := getg()     gp.m.locks--     if gp.m.locks < 0 {         throw("runtime·unlock: lock count")     }     if gp.m.locks == 0 && gp.preempt { // restore the preemption request in case we've cleared it in newstack         gp.stackguard0 = stackPreempt     } }

总体来说，运行时的mutex逻辑还不太复杂，主要是需要处理不同的架构的实现，它休眠唤醒的对象是m,而sync.Mutex休眠唤醒的对象是g。

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