什么是锁，为什么使用锁

用俗语来说，锁意味着一种保护，对资源的一种保护，在程序员眼中，这个资源可以是一个变量，一个代码片段，一条记录，一张数据库表等等。
就跟小孩需要保护一样，不保护的话小孩会收到伤害，同样的使用锁的原因是资源不保护的话，可能会受到污染，在并发情况下，多个人对同一资源进行操作，有可能导致资源不符合预期的修改。

常见的锁的种类

锁的种类细分的话，非常多，主要原因是从不同角度看，对锁的定义不一样，我这里总结了一下，画一个思维脑图，大家了解一下。
我个人认为锁都可以归为一下四大类，其它的叫法不同只是因为其实现方式或者应用场景而得名，但本质上上还是下面的这四大类中一种。
Go中锁的那些姿势，估计你不知道 - 图1
其它各种类的锁总结如下，这些锁只是为了高性能，为了各种应用场景在代码实现上做了很多工作，因此而得名，关于他们的资料很多
Go中锁的那些姿势，估计你不知道 - 图2
更多锁的详细解释参考我github的名词描述，这里不在赘述，地址如下：

  1. https://github.com/sunpengwei1992/java_common/tree/master/src/lock

Go中的锁使用和实现分析

Go的代码库中为开发人员提供了一下两种锁：

  1. 互斥锁 sync.Mutex
  2. 读写锁 sync.RWMutex

第一个互斥锁指的是在Go编程中，同一资源的锁定对各个协程是相互排斥的，当其中一个协程获取到该锁时，其它协程只能等待，直到这个获取锁的协程释放锁之后，其它的协程才能获取。
第二个读写锁依赖于互斥锁的实现，这个指的是当多个协程对某一个资源都是只读操作，那么多个协程可以获取该资源的读锁，并且互相不影响，但当有协程要修改该资源时就必须获取写锁，如果获取写锁时，已经有其它协程获取了读写或者写锁，那么此次获取失败，也就是说读写互斥，读读共享，写写互斥。
Go中关于锁的接口定义如下：，该接口的实现就是上面的两个锁种类，篇幅有限，这篇文章主要是分析一下互斥锁的使用和实现，因为RWMutex也是基于Mutex的，大家可以参考文章自行学习一下。

  1. type Locker interface {
  2.    Lock()
  3.    Unlock()
  4. }
  5. type Mutex struct {
  6.    state int32 //初始值默认为0
  7.    sema  uint32 //初始值默认为0
  8. }

Mutex使用也非常的简单，，声明一个Mutex变量就可以直接调用Lock和Unlock方法了,如下代码实例，但使用的过程中有一些注意点，如下：

  1. 同一个协程不能连续多次调用Lock,否则发生死锁
  2. 锁资源时尽量缩小资源的范围，以免引起其它协程超长时间等待
  3. mutex传递给外部的时候需要传指针，不然就是实例的拷贝，会引起锁失败
  4. 善用defer确保在函数内释放了锁
  5. 使用-race在运行时检测数据竞争问题，go test -race ….，go build -race ….
  6. 善用静态工具检查锁的使用问题
  7. 使用go-deadlock检测死锁，和指定锁超时的等待问题(自己百度工具用法)

  8. 能用channel的场景别使用成了lock

    1. var lock sync.Mutex
    2. func MutexStudy(){
    3.  //获取锁
    4.  lock.Lock()
    5.  //业务逻辑操作
    6.  time.Sleep(1 * time.Second)
    7.  //释放锁
    8.  defer lock.Unlock()
    9. }

    我们了解了Mutext的使用和注意事项，那么具体原理是怎么实现的呢？运用到了那些技术，下面一起分析一下Mutex的实现原理。
    Mutex实现中有两种模式，1：正常模式，2：饥饿模式，前者指的是当一个协程获取到锁时，后面的协程会排队(FIFO),释放锁时会唤醒最早排队的协程，这个协程会和正在CPU上运行的协程竞争锁，但是大概率会失败，为什么呢？因为你是刚被唤醒的，还没有获得CPU的使用权，而CPU正在执行的协程肯定比你有优势，如果这个被唤醒的协程竞争失败，并且超过了1ms，那么就会退回到后者(饥饿模式)，这种模式下，该协程在下次获取锁时直接得到,不存在竞争关系，本质是为了防止协程等待锁的时间太长。
    两种模式都了解了，我们再来分析一下几个核心常量，代码如下：

    1. const (
    2. mutexLocked = 1 << iota //1, 0001 最后一位表示当前锁的状态，0未锁，1已锁 
    3. mutexWoken //2, 0010，倒数第二位表示当前锁是否会被唤醒,0唤醒，1未唤醒
    4. mutexStarving //4, 0100 倒数第三位表示当前对象是否为饥饿模式,0正常，1饥饿
    5. mutexWaiterShift = iota //3 从倒数第四位往前的bit表示排队的gorouting数量
    6. starvationThresholdNs = 1e6 // 饥饿的阈值：1ms
    7. ）
    8. //Mutex中的变量，这里主要是将常量映射到state上面
    9. state //0代表未获取到锁，1代表得到锁，2-2^31表示gorouting排队的数量的
    10. sema //非负数的信号量，阻塞协程的依据

    这几个变量你要是都弄白了，那么代码看起来就相对好理解一些了,整个Lock的源码较长,我将注释写入代码中，方便大家理解，整个锁的过程其实分为三部分,建议大家参考源码和我的注释一块学习。

  9. 直接获取锁，返回

  10. 自旋和唤醒
  11. 判断各种状态，特殊情况处理

第一部分代码如下，较为简单，获取锁成功之后直接返回

  1. //对state进行cas修改操作，修改成功相当于获取锁，修改之后state=1
  2. if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
  3.     return
  4. }

第二部分自旋的代码如下

  1. //开始等待时间
  2. var waitStartTime int64
  3. //这几个变量含义依次是：是否饥饿，是否唤醒，自旋次数，锁的当前状态
  4. starving := false；awoke := false；iter := 0；old := m.state
  5. //进入死循环，直到获得锁成功(获得锁成功就是有别的协程释放锁了）
  6. for {
  7.     //这个if的核心逻辑是判断：已经获得锁了并且不是饥饿模式 && 可以自旋，与cpu核数有关
  8.     if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
  9.            //这个是判断：没有被唤醒 && 有排队等待的协程 && 尝试设置通知被唤醒
  10.         if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 && atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
  11.            //说明上个协程此时已经unlock了，唤醒当前协程
  12.             awoke = true
  13.         }
  14.         //自旋一段时间
  15.         runtime_doSpin()
  16.         //自选次数加1
  17.         iter++
  18.         old = m.state
  19.         continue
  20.     }
  21. }

第三部分代码，判断各种状态，特殊情况处理

  1. new := old
  2.  //1：原协程已经unlock了，对new的修改为已锁
  3. if old&mutexStarving == 0 { 
  4.     new |= mutexLocked
  5. }
  6. //2：这里是执行完自旋或者没执行自旋（原协程没有unlock）
  7. if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {
  8.     new += 1 << mutexWaiterShift //排队
  9. }
  10. //3：如果是饥饿模式，并且已锁的状态
  11. if starving && old&mutexLocked != 0 {
  12.     new |= mutexStarving //设置new为饥饿状态
  13. }
  14.  //4：上面的awoke被设置为true
  15. if awoke {
  16.     //当前协程被唤醒了，肯定不为0
  17.     if new&mutexWoken == 0 {
  18.         throw("sync: inconsistent mutex state")
  19.     }
  20.     //既然当前协程被唤醒了，重置唤醒标志为0
  21.     new &^= mutexWoken
  22. }
  23. //修改state的值为new，但这里new的值会有四种情况，
  24. //就是上面4个if情况对new做的修改，这一步获取锁成功
  25. if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
  26.     if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {
  27.         //这里代表的是正常模式获取锁成功
  28.         break 
  29.     }
  30.     //下面的代码是判断是否从饥饿模式恢复正常模式 
  31.     queueLifo := waitStartTime != 0
  32.     if waitStartTime == 0 {
  33.         waitStartTime = runtime_nanotime()
  34.     }
  35.    //进入阻塞状态  
  36.     runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo)
  37.    //设置是否为饥饿模式，等待的时间大于1ms就是饥饿模式  
  38.     starving=starving||runtime_nanotime()-waitStartTime> starvationThresholdNs
  39.     old = m.state
  40.     //如果当前锁是饥饿模式，但这个gorouting被唤醒
  41.     if old&mutexStarving != 0 {
  42.         if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {
  43.                     throw("sync: inconsistent mutex state")
  44.         }
  45.        //减去当前锁的排队
  46.         delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)
  47.         if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {
  48.             //退出饥饿模式
  49.             delta -= mutexStarving
  50.         }
  51.         //修改状态，终止  
  52.         atomic.AddInt32(&m.state, delta)
  53.             break
  54.         }
  55.     }    
  56.     //设置被唤醒  
  57.     awoke = true
  58.     iter = 0
  59. } else {
  60.     old = m.state
  61. }

Lock的源码我们弄明白了，那么Unlock呢，大家看代码的时候最好Lock和Unlock结合一起来看，因为他们是对同一变量state在操作

  1. func (m *Mutex) Unlock() {
  2.    //释放锁
  3.    new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)
  4.    if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {
  5.       throw("sync: unlock of unlocked mutex")
  6.    }
  7.    //判断当前锁是否饥饿模式,==0代表不是
  8.    if new&mutexStarving == 0 {
  9.       old := new
  10.       for {
  11.          //如果没有未排队的协程 或者 有已经被唤醒，得到锁或饥饿的协程，则直接返回
  12.          if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {
  13.             return
  14.          }
  15.          //唤醒其它协程
  16.          new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken
  17.          if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {
  18.             runtime_Semrelease(&m.sema, false)
  19.             return
  20.          }
  21.          old = m.state
  22.       }
  23.    } else {
  24.       //释放信号量
  25.       runtime_Semrelease(&m.sema, true)
  26.    }
  27. }

到这里整个Mutex的源码分析完成，可以看到Metux的源码并不是很复杂，只是各种位运算让开发人员难以直接观察到结果值，另外阅读源码前一定要先明白各个变量和常量的含义，不然读起来非常费劲。

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