Go精妙的互斥锁设计

机器铃砍菜刀

Some people, when confronted with a problem, think, “I know, I’ll use threads,” and then two they hav erpoblesms.

竞争条件

多线程程序在多核CPU机器上访问共享资源时,难免会遇到问题。我们可以来看一个例子

var Cnt int

func Add(iter int) {
    for i := 0; i < iter; i++ {
        Cnt++
    }
}

func main() {
    wg := &sync.WaitGroup{}
    for i := 0; i < 2; i++ {
        wg.Add(1)
        go func() {
            Add(100000)
            wg.Done()
        }()
    }
    wg.Wait()
    fmt.Println(Cnt)
}

很明显,程序的预期结果是200000,但实际的输出却是不可确定的,可能为100910、101364或者其他数值,这就是典型的多线程访问冲突问题。

利用go tool trace分析工具(需要在代码中加入runtime/trace包获取程序运行信息,此处省略),查看该程序运行期间goroutine的执行情况如上图所示。其中G20和G19就是执行Add()函数的两个goroutine,它们在执行期间并行地访问了共享变量Cnt

类似这种情况,即两个或者多个线程读写某些共享数据,而最后的结果取决于程序运行的精确时序,这就是竞争条件(race condition)

临界区与互斥

怎样避免竞争条件?实际上凡涉及共享内存、共享文件以及共享任何资源的情况都会引发上文例子中类似的错误,要避免这种错误,关键是要找出某种途径来阻止多线程同时读写共享的数据。换言之,我们需要的是互斥(mutual exclusion),即以某种手段确保当一个线程在使用一个共享变量或文件时,其他线程不能做同样的操作。

我们把对共享内存进行访问的程序片段称作临界区(critical section),例如上例中的Cnt++片段。从抽象的角度看,我们希望的多线程行为如下图所示。线程A在t1时刻进入临界区,执行一段时间后,在t2时刻线程B试图进入临界区,但是这是不能被允许的,因为同一时刻只能运行一个线程在临界区内,而此时已经有一个线程在临界区内。我们通过某种互斥手段,将B暂时挂起直到线程A离开临界区,即t3时刻B进入临界区。最后,B执行完临界区代码后,离开临界区。

如果我们能够合理地安排,使得两个线程不可能同时处于临界区中,就能够避免竞争条件。因此,我们将代码稍作调整如下

var (
    Cnt int
    mu sync.Mutex
)

func Add(iter int) {
    mu.Lock()
    for i := 0; i < iter; i++ {
        Cnt++
    }
    mu.Unlock()
}

此时,程序执行得到了预期结果200000。

程序运行期间的执行情况如上图所示。其中G8和G7是执行Add()函数的两个goroutine,通过加入sync.Mutex互斥锁,G8和G7就不再存在竞争条件。

需要明确的是,只有在多核机器上才会发生竞争条件,只有多线程对共享资源做了写操作时才有可能发生竞态问题,只要资源没有发生变化,多个线程读取相同的资源就是安全的。

Go互斥锁设计

互斥锁是实现互斥功能的常见实现,Go中的互斥锁即sync.Mutex。本文将基于Go 1.15.2版本,对互斥锁的实现深入研究。

type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

const (
    mutexLocked = 1 << iota
    mutexWoken
    mutexStarving
    mutexWaiterShift = iota   // mutexWaiterShift值为3,通过右移3位的位运算,可计算waiter个数
    starvationThresholdNs = 1e6 // 1ms,进入饥饿状态的等待时间
)

state字段表示当前互斥锁的状态信息,它是int32类型,其低三位的二进制位均有相应的状态含义。

  • mutexLockedstate中的低1位,用二进制表示为0001(为了方便,这里只描述后4位),它代表该互斥锁是否被加锁。
  • mutexWoken是低2位,用二进制表示为0010,它代表互斥锁上是否有被唤醒的goroutine。
  • mutexStarving是低3位,用二进制表示为0100,它代表当前互斥锁是否处于饥饿模式。
  • state剩下的29位用于统计在互斥锁上的等待队列中goroutine数目(waiter)。

默认的state字段(无锁状态)如下图所示。

sema字段是信号量,用于控制goroutine的阻塞与唤醒,下文中会有介绍到。

两种模式

Go实现的互斥锁有两种模式,分别是正常模式饥饿模式

在正常模式下,waiter按照先进先出(FIFO)的方式获取锁,但是一个刚被唤醒的waiter与新到达的goroutine竞争锁时,大概率是干不过的。新来的goroutine有一个优势:它已经在CPU上运行,并且有可能不止一个新来的,因此waiter极有可能失败。在这种情况下,waiter还需要在等待队列中排队。为了避免waiter长时间抢不到锁,当waiter超过 1ms 没有获取到锁,它就会将当前互斥锁切换到饥饿模式,防止等待队列中的waiter被饿死。

在饥饿模式下,锁的所有权直接从解锁(unlocking)的goroutine转移到等待队列中的队头waiter。新来的goroutine不会尝试去获取锁,也不会自旋。它们将在等待队列的队尾排队。

如果某waiter获取到了锁,并且满足以下两个条件之一,它就会将锁从饥饿模式切换回正常模式。

  • 它是等待队列的最后一个goroutine
  • 它等待获取锁的时间小于1ms

饥饿模式是在 Go 1.9版本引入的,它防止了队列尾部waiter一直无法获取锁的问题。与饥饿模式相比,正常模式下的互斥锁性能更好。因为相较于将锁的所有权明确赋予给唤醒的waiter,直接竞争锁能降低整体goroutine获取锁的延时开销。

加锁

既然被称作锁,那就存在加锁和解锁的操作。sync.Mutex的加锁Lock()代码如下

func (m *Mutex) Lock() {
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
        if race.Enabled {
            race.Acquire(unsafe.Pointer(m))
        }
        return
    }
    m.lockSlow()
}

代码非常简洁,首先通过CAS判断当前锁的状态(CAS的原理和实现可以参照小菜刀写的《同步原语的基石》一文)。如果锁是完全空闲的,即m.state为0,则对其加锁,将m.state的值赋为1,此时加锁后的state如下

如果,当前锁已经被其他goroutine加锁,则进入m.lockSlow()逻辑。lockSlow函数比较长,这里我们分段阐述。

  1. 初始化
func (m *Mutex) lockSlow() {
    var waitStartTime int64  // 用于计算waiter的等待时间
    starving := false        // 饥饿模式标志
    awoke := false           // 唤醒标志
    iter := 0                // 统计当前goroutine的自旋次数
    old := m.state           // 保存当前锁的状态
    ...
}    

第一段程序是做一些初始化状态、标志的动作。

  1. 自旋

lockSlow函数余下的代码,就是一个大的for循环,首先看自旋部分。

for { 
    // 判断是否能进入自旋
    if old&(mutexLocked|mutexStarving) == mutexLocked && runtime_canSpin(iter) {
        // !awoke 判断当前goroutine是不是在唤醒状态
        // old&mutexWoken == 0 表示没有其他正在唤醒的goroutine
        // old>>mutexWaiterShift != 0 表示等待队列中有正在等待的goroutine
        if !awoke && old&mutexWoken == 0 && old>>mutexWaiterShift != 0 &&
            // 尝试将当前锁的低2位的Woken状态位设置为1,表示已被唤醒
            // 这是为了通知在解锁Unlock()中不要再唤醒其他的waiter了
            atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, old|mutexWoken) {
            awoke = true
        }
        // 自旋
        runtime_doSpin()
        iter++
        old = m.state
        continue
    }
    ...
}

关于自旋,这里需要简单阐述一下。自旋是自旋锁的行为,它通过忙等待,让线程在某段时间内一直保持执行,从而避免线程上下文的调度开销。自旋锁对于线程只会阻塞很短时间的场景是非常合适的。很显然,单核CPU是不适合使用自旋锁的,因为,在同一时间只有一个线程是处于运行状态,假设运行线程A发现无法获取锁,只能等待解锁,但因为A自身不挂起,所以那个持有锁的线程B没有办法进入运行状态,只能等到操作系统分给A的时间片用完,才能有机会被调度。这种情况下使用自旋锁的代价很高。

在本场景中,之所以想让当前goroutine进入自旋行为的依据是,我们乐观地认为:当前正在持有锁的goroutine能在较短的时间内归还锁

runtime_canSpin()函数的实现如下

//go:linkname sync_runtime_canSpin sync.runtime_canSpin
func sync_runtime_canSpin(i int) bool {
  // active_spin = 4
    if i >= active_spin || ncpu <= 1 || gomaxprocs <= int32(sched.npidle+sched.nmspinning)+1 {
        return false
    }
    if p := getg().m.p.ptr(); !runqempty(p) {
        return false
    }
    return true
}

由于自旋本身是空转CPU的,所以如果使用不当,反倒会降低程序运行性能。结合函数中的判断逻辑,这里总结出来goroutine能进入自旋的条件如下

  • 当前互斥锁处于正常模式
  • 当前运行的机器是多核CPU,且GOMAXPROCS>1
  • 至少存在一个其他正在运行的处理器P,并且它的本地运行队列(local runq)为空
  • 当前goroutine进行自旋的次数小于4

前面说到,自旋行为就是让当前goroutine并不挂起,占用cpu资源。我们看一下runtime_doSpin()的实现。

//go:linkname sync_runtime_doSpin sync.runtime_doSpin
func sync_runtime_doSpin() {
    procyield(active_spin_cnt)  // active_spin_cnt = 30
}

runtime_doSpin调用了procyield,其实现如下(以amd64为例)

TEXT runtime·procyield(SB),NOSPLIT,$0-0    MOVL    cycles+0(FP), AXagain:    PAUSE    SUBL    $1, AX    JNZ    again    RET

很明显,所谓的忙等待就是执行 30 次 PAUSE 指令,通过该指令占用 CPU 并消耗 CPU 时间。

  1. 计算期望状态

前面说过,当前goroutine进入自旋是需要满足相应条件的。如果不满足自旋条件,则进入以下逻辑。

        // old是锁当前的状态,new是期望的状态,以期于在后面的CAS操作中更改锁的状态    new := old        if old&mutexStarving == 0 {      // 如果当前锁不是饥饿模式,则将new的低1位的Locked状态位设置为1,表示加锁            new |= mutexLocked        }        if old&(mutexLocked|mutexStarving) != 0 {      // 如果当前锁已被加锁或者处于饥饿模式,则将waiter数加1,表示当前goroutine将被作为waiter置于等待队列队尾            new += 1 << mutexWaiterShift        }        if starving && old&mutexLocked != 0 {      // 如果当前锁处于饥饿模式,并且已被加锁,则将低3位的Starving状态位设置为1,表示饥饿            new |= mutexStarving        }    // 当awoke为true,则表明当前goroutine在自旋逻辑中,成功修改锁的Woken状态位为1        if awoke {            if new&mutexWoken == 0 {                throw("sync: inconsistent mutex state")            }      // 将唤醒标志位Woken置回为0      // 因为在后续的逻辑中,当前goroutine要么是拿到锁了,要么是被挂起。      // 如果是挂起状态,那就需要等待其他释放锁的goroutine来唤醒。      // 假如其他goroutine在unlock的时候发现Woken的位置不是0,则就不会去唤醒,那该goroutine就无法再醒来加锁。            new &^= mutexWoken        }

这里需要重点理解一下位操作A |= B,它的含义就是在B的二进制位为1的位,将A对应的二进制位设为1,如下图所示。因此,new |= mutexLocked的作用就是将new的最低一位设置为1。

  1. 更新期望状态

在上一步,我们得到了锁的期望状态,接下来通过CAS将锁的状态进行更新。

        // 尝试将锁的状态更新为期望状态    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {      // 如果锁的原状态既不是被获取状态,也不是处于饥饿模式      // 那就直接返回,表示当前goroutine已获取到锁            if old&(mutexLocked|mutexStarving) == 0 {                break // locked the mutex with CAS            }      // 如果走到这里,那就证明当前goroutine没有获取到锁      // 这里判断waitStartTime != 0就证明当前goroutine之前已经等待过了,则需要将其放置在等待队列队头            queueLifo := waitStartTime != 0            if waitStartTime == 0 {        // 如果之前没有等待过,就以现在的时间来初始化设置                waitStartTime = runtime_nanotime()            }      // 阻塞等待            runtime_SemacquireMutex(&m.sema, queueLifo, 1)      // 被信号量唤醒之后检查当前goroutine是否应该表示为饥饿      // (这里表示为饥饿之后,会在下一轮循环中尝试将锁的状态更改为饥饿模式)      // 1. 如果当前goroutine已经饥饿(在上一次循环中更改了starving为true)      // 2. 如果当前goroutine已经等待了1ms以上            starving = starving || runtime_nanotime()-waitStartTime > starvationThresholdNs            // 再次获取锁状态      old = m.state      // 走到这里,如果此时锁仍然是饥饿模式      // 因为在饥饿模式下,锁是直接交给唤醒的goroutine      // 所以,即把锁交给当前goroutine            if old&mutexStarving != 0 {        // 如果当前锁既不是被获取也不是被唤醒状态,或者等待队列为空        // 这代表锁状态产生了不一致的问题                if old&(mutexLocked|mutexWoken) != 0 || old>>mutexWaiterShift == 0 {                    throw("sync: inconsistent mutex state")                }        // 因为当前goroutine已经获取了锁,delta用于将等待队列-1                delta := int32(mutexLocked - 1<<mutexWaiterShift)        // 如果当前goroutine中的starving标志不是饥饿        // 或者当前goroutine已经是等待队列中的最后一个了        // 就通过delta -= mutexStarving和atomic.AddInt32操作将锁的饥饿状态位设置为0,表示为正常模式                if !starving || old>>mutexWaiterShift == 1 {                    delta -= mutexStarving                }                atomic.AddInt32(&m.state, delta)        // 拿到锁退出,业务逻辑处理完之后,需要调用Mutex.Unlock()方法释放锁                break            }      // 如果锁不是饥饿状态      // 因为当前goroutine已经被信号量唤醒了      // 那就将表示当前goroutine状态的awoke设置为true      // 并且将自旋次数的计数iter重置为0,如果能满足自旋条件,重新自旋等待            awoke = true            iter = 0        } else {      // 如果CAS未成功,更新锁状态,重新一个大循环            old = m.state        }

这里需要理解一下runtime_SemacquireMutex(s *uint32, lifo bool, skipframes int) 函数,它是用于同步库的sleep原语,它的实现是位于src/runtime/sema.go中的semacquire1函数,与它类似的还有runtime_Semacquire(s *uint32) 函数。两个睡眠原语需要等到 *s>0 (本场景中 m.sema>0 ),然后原子递减 *sSemacquireMutex用于分析竞争的互斥对象,如果lifo(本场景中queueLifo)为true,则将等待者排在等待队列的队头。skipframes是从SemacquireMutex的调用方开始计数,表示在跟踪期间要忽略的帧数。

所以,运行到 SemacquireMutex 就证明当前goroutine在前面的过程中获取锁失败了,就需要sleep原语来阻塞当前goroutine,并通过信号量来排队获取锁:如果是新来的goroutine,就需要放在队尾;如果是被唤醒的等待锁的goroutine,就放在队头。

解锁

前面说过,有加锁就必然有解锁。我们来看解锁的过程

func (m *Mutex) Unlock() {    if race.Enabled {        _ = m.state        race.Release(unsafe.Pointer(m))    }  // new是解锁的期望状态    new := atomic.AddInt32(&m.state, -mutexLocked)    if new != 0 {        m.unlockSlow(new)    }}

通过原子操作AddInt32想将锁的低1位Locked状态位置为0。然后判断新的m.state值,如果值为0,则代表当前锁已经完全空闲了,结束解锁,否则进入unlockSlow()逻辑。

这里需要注意的是,锁空闲有两种情况,第一种是完全空闲,它的状态就是锁的初始状态。

第二种空闲,是指的当前锁没被占有,但是会有等待拿锁的goroutine,只是还未被唤醒,例如以下状态的锁也是空闲的,它有两个等待拿锁的goroutine(未唤醒状态)。

以下是unlockSlow函数实现。

func (m *Mutex) unlockSlow(new int32) {  // 1. 如果Unlock了一个没有上锁的锁,则会发生panic。   if (new+mutexLocked)&mutexLocked == 0 {      throw("sync: unlock of unlocked mutex")   }  // 2. 正常模式   if new&mutexStarving == 0 {      old := new      for {        // 如果锁没有waiter,或者锁有其他以下已发生的情况之一,则后面的工作就不用做了,直接返回        // 1. 锁处于锁定状态,表示锁已经被其他goroutine获取了        // 2. 锁处于被唤醒状态,这表明有等待goroutine被唤醒,不用再尝试唤醒其他goroutine        // 3. 锁处于饥饿模式,那么锁之后会被直接交给等待队列队头goroutine         if old>>mutexWaiterShift == 0 || old&(mutexLocked|mutexWoken|mutexStarving) != 0 {            return         }        // 如果能走到这,那就是上面的if判断没通过        // 说明当前锁是空闲状态,但是等待队列中有waiter,且没有goroutine被唤醒        // 所以,这里我们想要把锁的状态设置为被唤醒,等待队列waiter数-1         new = (old - 1<<mutexWaiterShift) | mutexWoken        // 通过CAS操作尝试更改锁状态         if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, old, new) {           // 通过信号量唤醒goroutine,然后退出            runtime_Semrelease(&m.sema, false, 1)            return         }        // 这里是CAS失败的逻辑        // 因为在for循环中,锁的状态有可能已经被改变了,所以这里需要及时更新一下状态信息        // 以便下个循环里作判断处理         old = m.state      }   // 3. 饥饿模式   } else {     // 因为是饥饿模式,所以非常简单     // 直接唤醒等待队列队头goroutine即可      runtime_Semrelease(&m.sema, true, 1)   }}

在这里,需要理解一下runtime_Semrelease(s *uint32, handoff bool, skipframes int)函数。它是用于同步库的wakeup原语Semrelease原子增加*s值(本场景中m.sema),并通知阻塞在Semacquire中正在等待的goroutine。如果handoff为真,则跳过计数,直接唤醒队头waiter。skipframes是从Semrelease的调用方开始计数,表示在跟踪期间要忽略的帧数。

总结

从代码量而言,go中互斥锁的代码非常轻量简洁,通过巧妙的位运算,仅仅采用state一个字段就实现了四个字段的效果,非常之精彩。

但是,代码量少并不代表逻辑简单,相反,它很复杂。互斥锁的设计中包含了大量的位运算,并包括了两种不同锁模式、信号量、自旋以及调度等内容,读者要真正理解加解锁的过程并不容易,这里再做一个简单回顾总结。

在正常模式下,waiter按照先进先出的方式获取锁;在饥饿模式下,锁的所有权直接从解锁的goroutine转移到等待队列中的队头waiter。

模式切换

如果当前 goroutine 等待锁的时间超过了 1ms,互斥锁就会切换到饥饿模式。

如果当前 goroutine 是互斥锁最后一个waiter,或者等待的时间小于 1ms,互斥锁切换回正常模式。

加锁

  1. 如果锁是完全空闲状态,则通过CAS直接加锁。
  2. 如果锁处于正常模式,则会尝试自旋,通过持有CPU等待锁的释放。
  3. 如果当前goroutine不再满足自旋条件,则会计算锁的期望状态,并尝试更新锁状态。
  4. 在更新锁状态成功后,会判断当前goroutine是否能获取到锁,能获取锁则直接退出。
  5. 当前goroutine不能获取到锁时,则会由sleep原语SemacquireMutex陷入睡眠,等待解锁的goroutine发出信号进行唤醒。
  6. 唤醒之后的goroutine发现锁处于饥饿模式,则能直接拿到锁,否则重置自旋迭代次数并标记唤醒位,重新进入步骤2中。

解锁

  1. 如果通过原子操作AddInt32后,锁变为完全空闲状态,则直接解锁。
  2. 如果解锁一个没有上锁的锁,则直接抛出异常。
  3. 如果锁处于正常模式,且没有goroutine等待锁释放,或者锁被其他goroutine设置为了锁定状态、唤醒状态、饥饿模式中的任一种(非空闲状态),则会直接退出;否则,会通过wakeup原语Semrelease唤醒waiter。
  4. 如果锁处于饥饿模式,会直接将锁的所有权交给等待队列队头waiter,唤醒的waiter会负责设置Locked标志位。

另外,从Go的互斥锁带有自旋的设计而言,如果我们通过sync.Mutex只锁定执行耗时很低的关键代码,例如锁定某个变量的赋值,性能是非常不错的(因为等待锁的goroutine不用被挂起,持有锁的goroutine会很快释放锁)。所以,我们在使用互斥锁时,应该只锁定真正的临界区

mu.Lock()defer mu.Unlock()

写如上的代码,是很爽。但是,你有想过这会带来没必要的性能损耗吗?

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