02 | Mutex：庖丁解牛看实现
晁岳攀
你好，我是鸟窝。
上一讲我们一起体验了 Mutex 的使用，竟是那么简单，只有简简单单两个方法，Lock 和 Unlock，进入临界区之前调用 Lock 方法，退出临界区的时候调用 Unlock 方法。这个时候，你一定会有一丝好奇：“它的实现是不是也很简单呢？”
其实不是的。如果你阅读 Go 标准库里 Mutex 的源代码，并且追溯 Mutex 的演进历史，你会发现，从一个简单易于理解的互斥锁的实现，到一个非常复杂的数据结构，这是一个逐步完善的过程。Go 开发者们做了种种努力，精心设计。我自己每次看，都会被这种匠心和精益求精的精神打动。
所以，今天我就想带着你一起去探索 Mutex 的实现及演进之路，希望你能和我一样体验到这种技术追求的美妙。我们从 Mutex 的一个简单实现开始，看看它是怎样逐步提升性能和公平性的。在这个过程中，我们可以学习如何逐步设计一个完善的同步原语，并能对复杂度、性能、结构设计的权衡考量有新的认识。经过这样一个学习，我们不仅能通透掌握 Mutex，更好地使用这个工具，同时，对我们自己设计并发数据接口也非常有帮助。
那具体怎么来讲呢？我把 Mutex 的架构演进分成了四个阶段，下面给你画了一张图来说明。
“初版”的 Mutex 使用一个 flag 来表示锁是否被持有，实现比较简单；后来照顾到新来的 goroutine，所以会让新的 goroutine 也尽可能地先获取到锁，这是第二个阶段，我把它叫作“给新人机会”；那么，接下来就是第三阶段“多给些机会”，照顾新来的和被唤醒的 goroutine；但是这样会带来饥饿问题，所以目前又加入了饥饿的解决方案，也就是第四阶段“解决饥饿”。
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Junes
老师讲得太棒了，我自己看Mutex源码时，没有前因后果，知识不成体系。交个作业： 1. 目前 Mutex 的 state 字段有几个意义，这几个意义分别是由哪些字段表示的？ 和第四个阶段的讲解基本一致：前三个bit分别为mutexLocked、mutexWoken、mutexStarving，剩余bit表示mutexWaiter 2. 等待一个 Mutex 的 goroutine 数最大是多少？是否能满足现实的需求？ 单从程序来看，可以支持 1<<(32-3) -1 ，约 0.5 Billion个 其中32为state的类型int32，3位waiter字段的shift 考虑到实际goroutine初始化的空间为2K，0.5Billin*2K达到了1TB，单从内存空间来说已经要求极高了，当前的设计肯定可以满足了。作者回复: 赞学习态度，赞作业
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buckwheat这源码看的感觉好难啊，尤其是这种并发的源码，老师有什么好的建议吗？作者回复: Mutex和channel实现代码实现非常复杂，第一遍看不懂没关系，第二遍看不懂也没关系......,永远看不懂也不影响你使用它。你可以每次只尝试理解一个知识点。我的经验是多看几遍，每一个if分支都理解它的意思，在纸上画一画state的值的变化
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Dragon Frog老师，你好我有个疑问。在第二版中的 mutexWoken 这个含义到底该怎么理解。没办法很好的理解这个字段的作用作者回复: 标记是否有“通过unlock唤醒”的waiter在竞争锁
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锋老师您好，有个疑问。 runtime_Semrelease 信号唤起的总队queue中的第一个吗？ 争抢锁在非饥饿模式下，是不是只有队首的waiter和新的goroutine之间发生？ 谢谢作者回复: 是的。你可以看runtime中的实现https://github.com/golang/go/blob/0a820007e70fdd038950f28254c6269cd9588c02/src/runtime/sema.go#L321
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授人以🐟，不如授人以渔老师，有一个关于编程的疑惑，很难解决：我以后可能也会写一些复杂的逻辑，特别是并发的逻辑，但如何用逻辑思维去证明代码是没有问题的？比如第二版本的 Mutex 代码，就写的很好。作者回复: 一点建议 一个是多学习并发的知识，充分了解并发的复杂性和场景。 二是实现并发原语的时候，要便利各种可能性
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Leo看第一遍的时候真的一脸懵，所以想起了老师开篇讲的很重要的一句“先建立体系”，所以我第二遍没有去关注源码，而是去理解老师文档中对锁实现过程的描述找到大体脉络。也就是先理解思路，再去逐个追究源码的细节。所以第三遍就能很顺利理解Mutex第一个版本的实现，第二个版本因为涉及到位运算，所以需要先把go的位运算基础搞清楚再继续分析。虽然还没有完全弄懂整个Mutex的实现，但现在也收获良多，因为从源码以及老师的文档描述中包含了程序的策略，而这些策略也可以用于我们开发中解决其他问题。作者回复: 👍🏻
3- 消逝文字底层实现的代码和业务代码果然有很大不同，理解起来也更加困难，光是上面那一堆位运算就已经够让人头疼的了，全程懵逼的看完了这一篇，还需要好好消化一下
作者回复: 没错，多来几遍，每次都有收获
3 - Felix我有一件事想不明白，如果大家用的是同一个s ync.Mutex,那么在每个goroutine中的sema数值不都是一样的，如果其中一个goroutine中的mutexLocked变为1,所有goroutine中mutexLocked不都是变为1吗，我的理解是mutex没有用值传递，应该指向同一块内存区域啊。
作者回复: 对，所有的goroutine看到的都是一样的
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阿牛交作业 1、目前 Mutex 的 state 字段有几个意义，这几个意义分别是由哪些字段表示的？ state有四个字段： • mutexLocked 占1bit，持有锁标记 • mutexWoken 占1bit，唤醒标记 • mutexStarving 占1bit，饥饿标记 • mutexWaiters 阻塞等待的waiter数量 2、等待一个 Mutex 的 goroutine 数最大是多少？是否能满足现实的需求？ 32-3=29位=2^29=536 870 912作者回复: 加油
2- 果酱new = old + 1<<mutexWaiterShift. 1<<mutexWaiterShift这个结果是4 为啥大佬注释说的是加1啊 求解
作者回复: waiter数从第4个bit开始
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