【Go】Mutex

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基本原语

Go 语言在 sync 包中提供了用于同步的一些基本原语，包括常见的 sync.Mutex、sync.RWMutex、sync.WaitGroup、sync.Once 和 sync.Cond：

这些基本原语提供了较为基础的同步功能，但是它们是一种相对原始的同步机制，在多数情况下，我们都应该使用抽象层级更高的 Channel 实现同步。

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Mutex

Go 语言的 sync.Mutex 由两个字段 state 和 sema 组成。其中 state 表示当前互斥锁的状态，而 sema 是用于控制锁状态的信号量。

type Mutex struct {
	state int32
	sema  uint32
}

**state**：32位整数，按位存储锁的状态：

• 第0位：locked（是否被锁定，0=未锁，1=已锁）
• 第1位：woken（是否有 goroutine 被唤醒，0=无，1=有）
• 第2位：starving（是否处于饥饿模式，0=正常，1=饥饿）
• 剩余29位：waiterCount（等待锁的 goroutine 数量）

在默认情况下，互斥锁的所有状态位都是 0

**sema**：信号量，用于阻塞和唤醒 goroutine（基于 runtime.semacquire 和 runtime.semrelease）

Lock() 加锁流程

(1) 快速路径（Fast Path）

• 如果锁未被占用（state == 0），直接通过 CAS（Compare-And-Swap） 获取锁：

  if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
      return  // 成功获取锁
  }

• 适用于低竞争场景，几乎无开销。

(2) 慢路径（Slow Path）

如果锁已被占用，进入 自旋 + 阻塞 逻辑：

1. 自旋尝试（Spin）：
   • 如果当前是 多核 CPU 且锁未进入 饥饿模式，goroutine 会自旋几次（约 4 次），尝试抢锁。
   • 自旋的目的是减少上下文切换开销。
2. 更新等待计数：
   • 自旋失败后，通过 atomic.AddInt32(&m.state, 1<<mutexWaiterShift) 增加 waiterCount（等待者数量）。
3. 进入阻塞：
   • 调用 runtime.semacquire(&m.sema) 让当前 goroutine 进入 阻塞状态，等待被唤醒。
4. 被唤醒后：
   • 如果锁处于 饥饿模式，直接获取锁（避免新来的 goroutine 抢锁）。
   • 否则，重新竞争锁。

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Unlock() 解锁流程

1) 快速路径（Fast Path）

• 如果 无等待者（waiterCount == 0），直接释放锁：

  new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
  if new == 0 {
      return  // 无竞争，直接返回
  }

(2) 慢路径（Slow Path）

如果有等待的 goroutine：

1. 唤醒一个等待者：
   • 如果锁未进入 饥饿模式，唤醒最早被阻塞的 goroutine，此时新来的goroutine可能直接抢到锁。
   • 如果锁处于 饥饿模式，直接将锁交给 队首的等待者（避免新 goroutine 抢锁）。
2. 减少等待计数：
   • 更新 waiterCount 并清除 woken 标志。

正常模式和饥饿模式

正常模式

1. 竞争激烈时性能优先：
   • 在正常模式下，锁的获取是非公平的，新到达的 goroutine 可能会直接获取锁，而不需要等待。
2. 自旋等待：
   • 当锁被占用时，新到达的 goroutine 会自旋等待一段时间，尝试直接获取锁，而不是立即进入休眠状态。
3. 适用场景：
   • 适用于竞争不激烈或锁持有时间较短的场景，可以最大化性能。

饥饿模式

• 公平性优先：
  • 在饥饿模式下，锁的获取是公平的，等待时间最长的 goroutine 会优先获取锁。
• 防止长时间等待：
  • 当某个 goroutine 等待锁的时间超过一定阈值（默认为 1 毫秒），锁会进入饥饿模式。
• 适用场景：
  • 适用于竞争激烈或锁持有时间较长的场景，可以防止某些 goroutine 长时间等