Golang同步機制的實現

這是一個建立於 的文章，其中的資訊可能已經有所發展或是發生改變。

    Golang的提供的同步機制有sync模組下的Mutex、WaitGroup以及語言自身提供的chan等。這些同步的方法都是以runtime中實現的底層同步機制（cas、atomic、spinlock、sem）為基礎的，本文主要探討Golang底層的同步機制如何?。

1 cas、atomic

    cas(Compare And Swap)和原子運算是其他同步機制的基礎，在runtime/asm_xxx.s(xxx代表系統架構，比如amd64)中實現。amd64架構的系統中，主要通過兩條彙編語句來實現，一個是LOCK、一個是CMPXCHG。

    LOCK是一個指令首碼，其後必須跟一條“讀-改-寫”的指令，比如INC、XCHG、CMPXCHG等。這條指令對CPU緩衝的訪問將是排他的。

    CMPXCHG是完成CAS動作的指令。把LOCK和CMPXCHG一起使用，就達到了原子CAS的功能。

    atomic操作也是通過LOCK和其他算術操作（XADD、ORB等）組合來實現。

2 自旋鎖

    Golang中的自旋鎖用來實現其他類型的鎖，自旋鎖的作用和互斥量類似，不同點在於，它不是通過休眠來使進程阻塞，而是在獲得鎖之前一直處於忙等狀態（自旋），從而避免了進程（或者

    和自旋鎖相關的函數有sync_runtime_canSpin和sync_runtime_doSpin，前者用來判斷當前是否可以進行自旋，後者執行自旋操作。二者通常一起使用。

    sync_runtime_canSpin函數中在以下四種情況返回false

1. 已經執行了很多次
2. 是單核CPU
3. 沒有其他正在啟動並執行P
4. 當前P的G隊列為空白

    條件1避免長時間自旋浪費CPU的情況。

    條件2、3用來保證除了當前在啟動並執行Goroutine之外，還有其他Goroutine在運行。

    條件4是避免自旋鎖等待的條件是由當前P的其他G來觸發，這樣會導致在自旋變得沒有意義，因為條件永遠無法觸發。

    sync_runtime_doSpin會調用procyield函數，該函數也是組合語言實現。函數內部迴圈調用PAUSE指令。PAUSE指令什麼都不做，但是會消耗CPU時間，在執行PAUSE指令時，CPU不會對他做不必要的最佳化。

3 訊號量

    按照runtime/sema.go中的注釋：

Think of them as a way to implement sleep and wakeup

    Golang中的sema，提供了休眠和喚醒Goroutine的功能。

    semacquire函數首先檢查訊號量是否為0：如果大於0，讓訊號量減一，返回；如果等於0，就調用goparkunlock函數，把當前Goroutine放入該sema的等待隊列，並把他設為等待狀態。

    semrelease函數首先讓訊號量加一，然後檢查是否有正在等待的Goroutine：如果沒有，直接返回；如果有，調用goready函數喚醒一個Goroutine。

4 sync/Mutex

    Mutex擁有Lock、Unlock兩個方法，主要的實現思想都體現在Lock函數中。

    Lock執行時，分三種情況：

1. 無衝突 通過CAS操作把目前狀態設定為加鎖狀態；
2. 有衝突 開始自旋，並等待鎖釋放，如果其他Goroutine在這段時間內釋放了該鎖，直接獲得該鎖；如果沒有釋放，進入3；
3. 有衝突，且已經過了自旋階段 通過調用semacquire函數來讓當前Goroutine進入等待狀態。

    無衝突時是最簡單的情況；有衝突時，首先進行自旋，是從效率方面考慮的，因為大多數的Mutex保護的程式碼片段都很短，經過短暫的自旋就可以獲得；如果自旋等待無果，就只好通過訊號量來讓當前Goroutine進入等待了。