go鎖基礎 - atomic、sema

来源:https://www.cnblogs.com/studyios/archive/2023/12/01/17869424.html
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1、首先先把配置文件從jar中抽離 示例代碼: <plugin> <groupId>org.apache.maven.plugins</groupId> <artifactId>maven-jar-plugin</artifactId> <version>3.2.0</version> <confi ...


atomicsema是實現go中鎖的基礎,簡單看下他們的實現原理。

atomic

atomic 常用來作為保證原子性的操作。

當多個協程,同時一個數據進行操作時候,如果不加鎖,最終的很難得到想要的結果。

  var p int64 = 0
  func add() {
  	p = p + 1
  }

  func main() {

  	for i := 0; i < 1000; i++ {
  		go add()
  	}
  	time.Sleep(time.Second * 5)
  	fmt.Println(p) //982
  }

這種情況下,最終列印的 都不會是1000,每次不固定。

改成atomic 能解決
var p int64 = 0
func add() {
	atomic.AddInt64(&p, 1)
}
func main() {

	for i := 0; i < 1000; i++ {
		go add()
	}
	time.Sleep(time.Second * 5)
	fmt.Println(p)
}

atomic 為什麼能做到?

 TEXT	sync∕atomic·AddInt64(SB), NOSPLIT, $0-24
	GO_ARGS
	MOVD	$__tsan_go_atomic64_fetch_add(SB), R9
	BL	racecallatomic<>(SB)
	MOVD	add+8(FP), R0	// convert fetch_add to add_fetch
	MOVD	ret+16(FP), R1
	ADD	R0, R1, R0
	MOVD	R0, ret+16(FP)
	RET

老的版本中是能見到,lock 這種操作系統級別的鎖,新版的go已經改寫了這塊邏輯,但是能猜想到效果肯定一樣。 如果有理清楚的,評論區可以交流下。

小結:

原子操作是一種硬體層面加鎖的機制
保證操作一個變數的時候,其他協程、線程無法訪問

sema

幾乎在go的每個鎖的定義都能看到sema的身影,理解了sema再看 互斥鎖、讀寫鎖就會很好理解。

信號量鎖/信號鎖
核心是一個uint32值,含義是同時可併發的數量
每一個sema 鎖都對應一個SemaRoot結構體
SemaRoot中有一個平衡二叉樹用於協程排隊

例如:

 type Mutex struct {
  	state int32
  	sema  uint32 
 }

sema的uint32中的 每一個數,背後都對應一個  semaRoot的結構體
type semaRoot struct {
	lock  mutex
	treap *sudog        // root of balanced tree of unique waiters.
	nwait atomic.Uint32 // Number of waiters. Read w/o the lock.
}

type sudog struct {
        g *g              // 包含了 協程 g
	next *sudog   // 下一個
	prev *sudog  
	elem unsafe.Pointer // data element (may point to stack)
 }

結構如下:

這裡可以先講下,當這個 sema uint32 值,初始化時候,大於0 比如 賦值5,就代表著,併發時候,有5個協程可以獲取鎖。其他協程需要等待前面5個釋放了,才能進入。

sema 大於0

   // 獲取sema鎖。大於0的情況
func semacquire1(addr *uint32, lifo bool, profile semaProfileFlags, skipframes int, reason waitReason) {
    	gp := getg()
    	if gp != gp.m.curg {
    		throw("semacquire not on the G stack")
    	}
    	// Easy case. // 容易的情況
    	if cansemacquire(addr) {
    		return
    	}
      // 方法很長,先看簡單的部分。
}
  
func cansemacquire(addr *uint32) bool {
	for {
		v := atomic.Load(addr) // 根據sema的地址,獲取int32的值
		if v == 0 {   // 如果未0了,就獲取失敗了
			return false
		}
        // 大於0 ,則把 sema的值減去1
		if atomic.Cas(addr, v, v-1) { // cas 就是 CompareAndSwapInt 的底層實現
			return true
		}
	}
}

到此,對sema為什麼只是定義為一個 uint32的值有了大致理解,就是一個控制能有多少個協程同時獲取鎖的值。

看下釋放:

func semrelease1(addr *uint32, handoff bool, skipframes int) {
	root := semtable.rootFor(addr)
	atomic.Xadd(addr, 1) // 給sema的值 加上1

	// Easy case: no waiters?
	// This check must happen after the xadd, to avoid a missed wakeup
	// (see loop in semacquire).
	if root.nwait.Load() == 0 { // 如果沒有 nwait在等待,就直接結束。 
		return
	}
}

nwait 就是等待協程的個數。

小結, 當sema的值大於0 :

獲取鎖:uint32減1 ,獲取成功

釋放鎖:uint32加1,釋放成功

sema值等於0

再看 semacquire1

func semacquire1(addr *uint32, lifo bool, profile semaProfileFlags, skipframes int, reason waitReason) {

     / / Harder case:
	//	increment waiter count
	s := acquireSudog()
	root := semtable.rootFor(addr) // 根據sema的地址,獲取了包含 sudog的隊列
	for {
		root.queue(addr, s, lifo) // 將新的協程放入這個等待隊列中
		goparkunlock(&root.lock, reason, traceBlockSync, 4+skipframes) 
        // 主動調用協程的gopark,讓它休眠,gopark的說明看 go GMP中有講
	}
	releaseSudog(s)
}

//再看釋放
func semrelease1(addr *uint32, handoff bool, skipframes int) {
	root := semtable.rootFor(addr)
	atomic.Xadd(addr, 1)
	if root.nwait.Load() == 0 {
		return
	}
    // 如果等待隊列不是0 ,就需要釋放一個
	// Harder case: search for a waiter and wake it.
	lockWithRank(&root.lock, lockRankRoot)
	
	s, t0 := root.dequeue(addr) // 從全局的隊列中,取出一個
	if s != nil {
		root.nwait.Add(-1) // 把等待的數量減一
	}
	unlock(&root.lock) //操作全局隊列都需要加鎖
}

小結,當sema的值等於0時候:

獲取鎖:協程休眠,進入堆樹等待
釋放鎖:從堆樹中取出一個協程,喚醒
sema 鎖退化成一個專用休眠隊列

有沒有可能sema的值,小於0 ?

看看sema的定義 `uint32` 所以 不可能。

總結下:

atomic原子操作是一種硬體層面的加鎖機制。

sema 背後是一整套鎖的管理和等待的機制,開發者在使用時候,感知不到。

sema的值就是能同時獲取鎖協程的個數。sema的地址作為了休眠等待隊列(平衡樹)的key。

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