【协作式原创】查漏补缺之Golang中mutex源码实现(预备知识)

预备知识

CAS机制

1. 是什么

参考附录3

CAS 是项乐观锁技术，当多个线程尝试使用 CAS 同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。

如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）

CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。”这其实和乐观锁的冲突检查 + 数据更新的原理是一样的。

扩展:

Q: 悲观锁和乐观锁的主要区别.

A:

乐观锁每次获取数据的时候，都不会担心数据被修改，所以每次获取数据的时候都不会进行加锁，但是在更新数据的时候需要判断该数据是否被别人修改过。

悲观锁在读取数据也会加锁,甚至只能有1个线程可以读取数据。

2. 图解CAS

讲解参考附录1的图解.

参考i++如何在并发情况下产生问题的

package main

var i int32 = 1

func main() {
    i++
}

• 反汇编查看第6行的汇编代码,可以发现和上图中C代码类似，也是对应3个底层汇编指令。(注意单个汇编指令不一定是原子操作,只是我们分析只考虑汇编指令之间进行中断和切换)

$ go tool compile -S main.go |grep main.go:6
        0x0012 00018 (main.go:6)        PCDATA  $2, $0
        0x0012 00018 (main.go:6)        PCDATA  $0, $0
        0x0012 00018 (main.go:6)        MOVL    "".i(SB), AX // 根据i的内存地址(addr1),加载i值到寄存器
        0x0018 00024 (main.go:6)        INCL    AX           // 寄存器执行自增1操作
        0x0019 00025 (main.go:6)        MOVL    AX, "".i(SB) // 寄存器的值更新给i对应的内存地址(addr1)

• 关键问题:
  
  Q: 什么叫冲突
  
  A: 内存实际值和携程预期值不等就是冲突。 就是携程发现内存实际值(11)!=old值(10)就是冲突,本来该携程是要对10进行加1操作的.

3. Go中的CAS操作代码示例

讲解参考附录2的代码.

// CompareAndSwapInt64 executes the compare-and-swap operation for an int64 value.
func CompareAndSwapInt64(addr *int64, old, new int64) (swapped bool)

预备知识点: atomic.LoadInt64和atomic.StoreInt64，是一对原子操作，分别是读取和写入一个int。

TODO: 目前不清楚附录2中提到的错误写法有啥问题。

• 扩展
  
  Q: 这里引出一个新的问题，既然CAS包含了Compare和Swap两个操作，它又如何保证原子性呢？或者问CompareAndSwapInt64函数为啥能保证原子性呢? 或者问atomic包中的函数怎么保证的原子性?
  
  A: CAS是由CPU支持的原子操作，其原子性是在硬件层面进行保证的。至于硬件层面是怎么保证的参考该博客的后半部分

4. cas机制的缺点

1. 高并发情况下自旋消耗cpu.(也就是compare老是失败)
2. 只支持一个变量的原子操作,不支持多个变量(代码块)的原子操作. 代码块的原子操作，用sync.Mutex。
3. CAS有一种特殊情况:ABA。ABA是否会导致问题需要具体来分析: (参考附录4)
   
   3.1 没有问题的case: 对i加一减一,导致Compare成功，其实是不会影响运行结果的。
   
   3.2 有问题的case: Real-world examples for ABA in multithreading

位操作和Go特殊语法iota

• &(与操作)
  
  1&1=1,1&0=1,0&0=1

func main() {
	var state int32
	mutexLocked := int32(1)
	mutexWoken := int32(2)
	// & 与运算,只有两者都是1结果才是1.
	fmt.Println(state&mutexLocked, state&mutexWoken)
	state = mutexLocked
	fmt.Println(state&mutexLocked, state&mutexWoken) // ...001 & ...001 = ...001
	state = mutexWoken
	fmt.Println(state&mutexLocked, state&mutexWoken) // ...010 & ...010 = ...010
}
//output
0 0
1 0
0 2

• 左移操作 a<<n: a左移n位

1<<0 = 1 = 1
1<<1 = 10 = 2
1<<2 = 100 = 4

• Golang特殊语法:iota
  
  参考附录5

const (
	mutexLocked      = 1 << iota // mutex is locked // 1左移iota(0)位赋值给变量 // iota = 0
	mutexWoken                   // 1左移iota(1)位赋值给变量 // iota = 1
	mutexStarving                // 1左移iota(2)位赋值给变量 // iota = 2
	mutexWaiterShift = iota      // iota = 3
)

func main() {
	fmt.Println(mutexLocked, mutexWoken, mutexStarving, mutexWaiterShift)
}
//output
1 2 4 3

• 按位清除(&^)

1. 执行规则: a &^ b == a & (^b)，即与上非b。
2. 语句用途: 把a中某些位置清空(置0),某些位置是指b中为1的位置。
   
   一般是 待清空的数a &^ 标志位为1的等长数字b == 执行后，标志位被清空，其他数字不变。

package main
import (
	"fmt"
)
func main() {
	// new &^= mutexWoken,就是清除mutexWoken位,置为 0
	fmt.Println(1 &^ 1)
	fmt.Println(0 &^ 1)
	fmt.Printf("%b\n",1 & ^1)
	fmt.Printf("%b\n",0 & ^1)
}
//output : 从执行结果看,
0
0
0
0

• 设置,清空和读取1个标志位

package main
import (
	"fmt"
)
// 1.3 与 1.7 老的实现共用的常量
const (
    mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
    mutexWoken
)
var state int32
func main() {
	fmt.Printf("%b,%b,%b\n",state,mutexLocked,mutexWoken)
	// 1. "|"写入标志位(置1)
	wokenState := state | mutexWoken
	wokenState |= mutexLocked
	fmt.Printf("%b,%08b\n",wokenState,wokenState) // %08b: 输出8位,位数不足填充0
	fmt.Printf("%b,%b\n",wokenState & mutexLocked,wokenState & mutexWoken) // 3.读取标志位. 如果标志位是1，读取结果就是mutexLocked或mutexWoken
	// 2. "&^"清空标志位,即置0
	wokenState &^= mutexWoken
	fmt.Printf("%08b\n",wokenState)
}
//output
0,1,10
11,00000011
1,10
00000001

raceenabled是什么代码

参考附录11.

raceenabled相关的代码全部忽略，这是golang内部使用thread-sanitizer用于扫描线程安全问题的诊断代码。

参考资料

1.图解CAS

2.GO中CAS代码示例

3.CAS乐观锁，最精确的文字描述.

4.CAS会导致"ABA问题"

5.Go-iota使用例子

6.sync.Mutex的实现和演进

7.Go语言中你所不知道的位操作用法 TODO: 通过位操作实现用户类型的存储，更新和修改。如[一个qq号可以用VIP会员，SVIP超级会员，蓝钻用户，黄钻用户，红钻用户....]

8.位清除(&^)有哪些应用？

9.go语言中获取变量类型的三种方法

10.Golang中的int类型和uint类型到底有多大？ TODO: int和uint是根据 CPU 变化的!!!

11.毛剑-1.3sync.Mutex源码解析

Go中锁的那些姿势，估计你不知道