golang mutex底層實現

Golang是一門高效率、簡潔的程式語言，在並發程式設計的應用更是體現出了其良好的效能和易用性。在並發程式設計中，Mutex是一個非常常見的同步機制，它能夠保證在多執行緒環境中共享資源的互斥訪問，同時避免競爭條件（即多個執行緒同時存取共享資源時產生的不可預測的結果） 。本文將介紹Mutex底層的實作原理。

一、Mutex的定義

在Golang中，Mutex是一種同步機制，用來保護共享資源的互斥存取。它包含兩個方法：Lock()和Unlock()，分別用於鎖定和解鎖Mutex。當一個執行緒獲得Mutex的鎖時，其他執行緒將被阻塞，直到鎖被釋放。

二、Mutex的底層實作

在Golang中，Mutex的底層實作主要依靠一個叫做sync.Mutex的結構體。 Mutex的實作是透過CAS操作（Compare-And-Swap）實現的，它依賴底層硬體的原子性操作。

Mutex結構體定義如下：

type Mutex struct {
    state int32
    sema  *uint32 // 信号量
}

const (
    mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
)

func (m *Mutex) Lock() {
    // Fast path: 这里如果加锁成功，就直接返回
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, 0, mutexLocked) {
        return
    }
    // Slow path : 防止出现busy spinning，将当前协程加入等待队列，然后调用runtime.semacquire继续sleep。
    sema := m.sema
    if sema == nil {
        sema = new(uint32)
        m.sema = sema
    }
    runtime_Semacquire(sema)
}

func (m *Mutex) Unlock() {
    // Fast path: 这里如果释放锁成功，就直接返回
    if atomic.CompareAndSwapInt32(&m.state, mutexLocked, 0) {
        return
    }
    // Slow path: 如果锁还被持有，则调用sync.runtime_Semrelease继续唤醒协程。
    sema := m.sema
    if sema == nil {
        panic("sync: unlock of unlocked mutex")
    }
    runtime_Semrelease(sema, false, 1)
}

Mutex結構體包含兩個字段，一個狀態state和一個信號量sema。其中，state表示鎖的狀態，mutexLocked表示已被鎖住，其他值表示未鎖住。 sema用於協調等待鎖的goroutine。

在Mutex.Lock()方法中，如果當前Mutex未被鎖住，使用CompareAndSwapInt32原子操作將state從0更改為mutexLocked，成功後則直接返回；否則，讓當前goroutine加入等待隊列，並呼叫runtime.semacquire()方法將其喚醒。在Mutex.Unlock()方法中，如果目前Mutex已被鎖住，使用CompareAndSwapInt32原子操作將state從mutexLocked更改為0，成功後則直接返回；否則，拋出異常，表示當前Mutex未被鎖住。

在Mutex.Lock()和Mutex.Unlock()方法中均存在快速路徑和慢速路徑。快速路徑是指在鎖的狀態未被佔用時，可以透過CAS快速取得鎖或快速釋放鎖。慢速路徑是指當鎖的狀態被佔用時，需要讓目前goroutine加入等待佇列，並呼叫sema.acquire()方法將其休眠或喚醒其他等待佇列中的goroutine。

三、Mutex的使用誤解

在Golang中，Mutex是非常常用的同步機制，但在使用過程中，有一些常見的誤解需要我們避免。

1. 呼叫Unlock()方法的goroutine必須是持有該Mutex的goroutine

如果一個goroutine試圖釋放它沒有持有的Mutex，程式將會拋出panic。互斥鎖是為了保證共享資源的互斥訪問，如果任意一個goroutine都可以釋放鎖，那麼就不能保證其互斥性了。

2. 不要拷貝Mutex

互斥鎖定是一種指標類型，如果需要拷貝鎖定變量，則應該使用指標拷貝。否則，將會導致兩個互不相關的Mutex實例共享同一個狀態，可能會導致意外的行為。

3. 盡量避免鎖的自由競爭

在並發程式設計中，鎖的自由競爭指的是在一個goroutine未釋放鎖之前，另一個goroutine會不停地嘗試取得鎖，而不是進入等待隊列中等待。這樣會導致CPU的資源浪費，應該盡量避免此種情況的出現。

總之，鎖是保護共享資源的強大工具，在並發程式設計中扮演著非常重要的角色。透過本文，我們了解了Mutex底層的實作原理，以及在使用Mutex時需要注意的一些誤解。在實際開發中，我們應該充分利用Mutex的優勢，避免並發程式設計中可能出現的各種問題。

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