快捷導航

一文掌握Go語言并發(fā)編程必備的Mutex互斥鎖

更新時間：2023年04月27日 17:19:12 作者：金刀大菜牙

Go 語言提供了 sync 包，其中包括 Mutex 互斥鎖、RWMutex 讀寫鎖等同步機制，本篇博客將著重介紹 Mutex 互斥鎖的基本原理，需要的可以參考一下

在并發(fā)編程中，我們需要處理多個線程同時對共享資源的訪問問題。如果不加控制地同時訪問共享資源，就會導致競爭條件（Race Condition）問題，從而導致程序出現(xiàn)不可預知的錯誤。為了解決這個問題，Go 語言提供了 sync 包，其中包括 Mutex 互斥鎖、RWMutex 讀寫鎖等同步機制，本篇博客將著重介紹 Mutex 互斥鎖的基本原理。

1. Mutex 互斥鎖的基本概念

Mutex 是 Mutual Exclusion（互斥）的縮寫，用于保護共享資源。當一個goroutine 獲取了 Mutex 的鎖之后，其他的 goroutine 就無法再獲取到這個 Mutex 的鎖，直到這個 goroutine 釋放了這個 Mutex 的鎖，其他 goroutine 才能繼續(xù)嘗試獲取這個 Mutex 的鎖。

Mutex 互斥鎖包含兩個狀態(tài)：鎖定和未鎖定。當一個 goroutine 獲取了 Mutex 的鎖，Mutex 就處于鎖定狀態(tài)，其他的 goroutine 就只能等待這個 goroutine 釋放這個 Mutex 的鎖，才能再次嘗試獲取這個 Mutex 的鎖。當一個 goroutine 釋放了 Mutex 的鎖，Mutex 就處于未鎖定狀態(tài)，此時其他的 goroutine 可以獲取這個 Mutex 的鎖。

Mutex 互斥鎖使用的是二進制信號量的概念，當 Mutex 處于鎖定狀態(tài)時，就相當于信號量為 0，其他 goroutine 只能等待；當 Mutex 處于未鎖定狀態(tài)時，就相當于信號量為 1，其他 goroutine 可以嘗試獲取這個 Mutex 的鎖。

2. Mutex 互斥鎖的基本用法

Mutex 互斥鎖的基本用法如下：

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，我們創(chuàng)建了 10 個 goroutine，每個 goroutine 都會獲取 Mutex 的鎖，對共享變量 count 進行自增操作，并打印 count 的值。在獲取 Mutex 的鎖后，我們使用 defer 語句來保證在 goroutine 結(jié)束時釋放 Mutex 的鎖。最后，我們使用 WaitGroup 來等待所有 goroutine 結(jié)束。

由于 Mutex 互斥鎖是排他性的，因此在同一時刻只有一個 goroutine 可以獲取 Mutex 的鎖，其他的 goroutine 只能等待。在上面的例子中，我們通過 Mutex 互斥鎖來保證了 count 的原子性操作，從而避免了競爭條件問題。

3. Mutex 互斥鎖的底層實現(xiàn)

Mutex 互斥鎖的底層實現(xiàn)使用了操作系統(tǒng)提供的原語（Primitive），如互斥量（Mutex）、臨界區(qū)（Critical Section）等。在不同的操作系統(tǒng)中，Mutex 互斥鎖的底層實現(xiàn)可能有所不同。

在 Linux 系統(tǒng)中，Mutex 互斥鎖的底層實現(xiàn)主要使用了 futex（Fast User-space Mutex）機制。futex 是 Linux 系統(tǒng)提供的一種快速用戶空間互斥量機制，可以實現(xiàn)用戶空間的原子操作。

Mutex 互斥鎖的底層實現(xiàn)主要包括兩個部分：等待隊列和鎖狀態(tài)。

3.1 等待隊列

當一個 goroutine 嘗試獲取 Mutex 的鎖時，如果 Mutex 已經(jīng)被其他 goroutine 獲取，那么這個 goroutine 就會進入等待隊列中等待。等待隊列是一個鏈表，每個節(jié)點代表一個等待 goroutine。

當一個 goroutine 釋放 Mutex 的鎖時，會喚醒等待隊列中的第一個 goroutine。喚醒的操作主要包括兩個步驟：

將等待隊列中的第一個節(jié)點從鏈表中移除，并將其狀態(tài)設(shè)置為可運行（Runnable）狀態(tài)。
將移除的節(jié)點中的 goroutine 添加到調(diào)度器的可運行隊列中，等待調(diào)度器將其調(diào)度執(zhí)行。

3.2 鎖狀態(tài)

Mutex 互斥鎖的鎖狀態(tài)主要包括兩個部分：互斥標志和持有者標志。

互斥標志表示 Mutex 的狀態(tài)，0 表示未鎖定，1 表示鎖定?；コ鈽酥镜脑硬僮髦饕褂昧?Compare-and-Swap（CAS）指令。

持有者標志表示當前持有 Mutex 的 goroutine 的 ID。如果 Mutex 未被任何 goroutine 持有，那么持有者標志為 0。持有者標志的原子操作主要使用了 Load Linked（LL）和 Store Conditional（SC）指令。

當一個 goroutine 嘗試獲取 Mutex 的鎖時，會先嘗試使用 CAS 指令將互斥標志從 0 改為 1。如果 CAS 指令成功，那么這個 goroutine 就獲得了 Mutex 的鎖，并將持有者標志設(shè)置為當前 goroutine 的 ID。如果 CAS 指令失敗，那么說明 Mutex 已經(jīng)被其他 goroutine 獲取，這個 goroutine 就會進入等待隊列中等待。

當一個 goroutine 釋放 Mutex 的鎖時，會先將持有者標志設(shè)置為 0，然后再使用 LL 和 SC 指令將互斥標志從 1 改為 0。LL 指令用于加載互斥標志的值，SC 指令用于將互斥標志的值改為 0。LL 和 SC 指令是原子指令，可以保證操作的原子性。

4. Mutex 互斥鎖的注意事項

在使用 Mutex 互斥鎖時，需要注意以下幾點：

4.1 不要將 Mutex 作為函數(shù)或方法的參數(shù)傳遞

Mutex 是一個結(jié)構(gòu)體類型，包含互斥標志和持有者標志等字段。當將 Mutex 作為函數(shù)或方法的參數(shù)傳遞時，會將 Mutex 的副本傳遞給函數(shù)或方法，而不是原始的 Mutex 實例。這樣做會導致不同的 goroutine 使用不同的 Mutex 實例，從而無法實現(xiàn)互斥。

正確的做法是將 Mutex 定義為一個全局變量，并在多個 goroutine 中共享這個全局變量。