在并发编程中，我们常常会遇到多个 goroutine 同时访问共享资源的情况，这可能会导致数据的不一致性。为了解决这个问题，Go 语言提供了互斥锁（Mutex）机制。

Mutex定义和使用

Mutex 是 Go 语言中 sync 包提供的一个结构体，它有两个方法：Lock() 和 Unlock()。可以通过创建 Mutex 的实例，然后在访问共享资源之前调用 Lock() 方法，访问结束后调用 Unlock() 方法来保证对共享资源的访问是线程安全的。

Lock()：加锁方法

Unlock()：解锁方法

例：

package main

import "fmt"
import "sync"
import "time"


var counter int
var lock sync.Mutex

func increment() {
    // 加锁保证累加安全
    lock.Lock()
    defer lock.Unlock()
    counter++
}

func main() {
    for i := 0; i < 1000; i++ {
        go increment()
    }

    // 等待 increment() 全部执行完毕
    time.Sleep(time.Second)
    fmt.Println(counter)
}

// 打印输出
1000

在这个例子中，有一个共享的全局变量 counter，并且希望在 increment() 函数中安全地对 counter 进行加一操作。

为了实现这个目标，我们使用了 Mutex：在增加 counter 之前我们先调用 lock.Lock() 来获取锁，增加 counter 之后我们调用 defer lock.Unlock() 来释放锁。这样我们就确保了每次只有一个 goroutine 可以访问 counter，从而保证了 counter 的正确性。

Mutex工作原理

Mutex数据结构

src/sync/mutex.go: Mutex中的互斥锁定义：

// A Mutex is a mutual exclusion lock.
// The zero value for a Mutex is an unlocked mutex.
//
// A Mutex must not be copied after first use.
//
// In the terminology of the Go memory model,
// the n'th call to Unlock “synchronizes before” the m'th call to Lock
// for any n < m.
// A successful call to TryLock is equivalent to a call to Lock.
// A failed call to TryLock does not establish any “synchronizes before”
// relation at all.
type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

Mutex.state 表示互斥锁的状态，比如是否被锁定等。是32位的整型变量，内部实现时把该变量分成了四份，用于记录Mutex的四种状态：

Locked：表示该 Mutex 是否已被锁定，0 表示没有锁定，1 表示已被锁定。
Woken：表示是否有协程已被唤醒，0 表示没有协程唤醒，1 表示已有协程被唤醒，正在加锁过程中。
Starving：表示该 Mutex 是否处于饥饿状态，0 表示没有饥饿，1 表示饥饿状态，表明有协程阻塞了超过 1ms。
Waiter：表示阻塞等待锁的协程个数，协程解锁时根据此值来判断是否需要释放信号量。

Mutex.sema 表示信号量，协程阻塞等待该信号量，解锁的协程释放信号量从而唤醒等待的信号量的协程。

协程之间的抢锁实际上是争夺给 Locked 赋值的权利，能给 Locked 置为 1，则说明抢锁成功。抢不到则阻塞等待 Mutex.sema 信号量，一旦持有锁的协程解锁，那么等待的协程会依次被唤醒。

Mutex如何保证并发安全

Mutex 的工作原理其实很简单：在内部，它维护了一个标志位，表示当前是否有 goroutine 持有这个 Mutex。

当一个 goroutine 调用 Lock 方法时，如果标志位为 0，即表示当前没有 goroutine 持有这个 Mutex，那么这个 goroutine 就可以获取这个 Mutex，并将标志位设置为 1；如果标志位为 1，表示当前已经有 goroutine 持有这个 Mutex，那么这个 goroutine 就需要等待，直到标志位变为 0。

当一个 goroutine 调用 Unlock 方法时，它会将标志位设置为 0，表示它已经不再持有这个 Mutex。如果此时有其它的 goroutine 在等待这个 Mutex，那么其中一个 goroutine 就可以获取这个 Mutex，并将标志位设置为 1。

通过这种方式，Mutex 实现了对共享资源的互斥访问，从而保证了并发安全。

下面图示分析加锁解锁过程。

加锁过程

简单加锁

若当前只有一个协程在加锁，没有其他协程干扰：

加锁被阻塞

如果协程加锁时锁已经被其它协程占用了，此时加锁过程如下，Waiter 计数器加 1 ，协程 2 将被阻塞，直到 Locked 值变为 0 后才会被唤醒。

解锁过程

简单解锁

如果解锁时没有其它线程阻塞，则直接 Locked 置为 0 即可：

解锁并唤醒协程

如果解锁时有一个或多个协程阻塞，如下图所示，协程 1 解锁过程分为两个步骤：

1.先把 Locked 置为 0。

2.然后查看 Waiter > 0，释放一个信号量，唤醒一个阻塞的协程，被唤醒的协程 2 把 Locked 置为 1 ，于是协程 2 获得了锁。

Mutex的模式

前面分析加锁和解锁的过程只关注了 Waiter 和 Locked 位的变化，下面我们一起分析 Starving 位的作用。

为了充分理解 Starving 位的作用，我们需要先了解什么是自旋？

自旋过程
协程加锁时，如果当前的 Locked = 1，则说明该锁被其它协程持有，尝试加锁的协程并不是马上转入阻塞，而是会持续的探测 Locked 位是否变成了 0，这样的过程被称为自旋。

自旋的好处：当加锁失败时不必立即转入阻塞，有一定的机会立马获取到锁，这样更充分地利用了CPU，避免频繁的协程切换。

自旋的问题：如果在自旋的过程中获得锁，那么之前已经被阻塞的协程将无法获得锁。如果加锁的协程非常的多的话，会导致每次新来的协程都通过自旋获得了锁，那么被阻塞的协程将很难有机会获得锁，从而进入“饥饿”状态（长时间得不到运行）。

每个 Mutex 都有两种模式，称为 Normal 和 Starving 模式。

Normal模式
默认情况下，Mutex 的模式是 Normal。

作用：在 Normal 模式下，协程如果加锁不成功则不会立即转入阻塞排队，而是判断是否满足自旋的条件，如果满足则会启动自旋的过程，尝试抢锁。

Starving模式
自旋的过程中能抢到锁，则一定意味着同一时刻有协程释放了锁。同时释放锁的时候去判断有阻塞等待的协程，那么还会释放一个信号量来唤醒一个等待协程，被唤醒的协程得到 CPU 后开始运行，这时会发现锁已经被抢占了（自旋的协程更快抢占了锁），那么被唤醒的协程只好再次阻塞，不过阻塞前会先判断自上次阻塞到本次阻塞经过了多长的时间，如果超过了 1 ms，则会将 Mutex 标记为 “饥饿” 模式，然后再阻塞。

在“饥饿”模式下，则不会启动自旋过程了，这样一旦有协程释放了锁，那么一定会唤醒协程，被唤醒的协程将成功获得锁，同时也会把 Waiter 计数减 1。

Woken状态

Woken 状态用于加锁和解锁过程的通信，比如，同一个时刻，两个协程一个在加锁，另一个在解锁。正在加锁的协程可能处于自旋的过程中，此时把 Woken 标记为 1，用于通知解锁协程不必释放信号量了，好比在告知解锁协程：你只管解锁好了，不必释放信号量，因为我马上就会拿到锁了。

Mutex的公平性

在许多并发系统中，公平性是一个重要的问题：我们希望每个 goroutine 都能公平地获取到 Mutex。然而，Go 语言的 Mutex 并不保证公平性。

当一个 goroutine 调用 Lock 方法时，如果当前有其它的 goroutine 已经在等待这个 Mutex，那么这个 goroutine 将被放入等待队列的尾部；但是，如果当前没有其它的 goroutine 在等待这个 Mutex，那么这个 goroutine 就可以直接获取这个 Mutex，无需等待。

这种设计可以提高系统的整体性能，因为它避免了不必要的上下文切换。但是，它也可能导致某些 goroutine 长时间无法获取到 Mutex。如果你的应用需要公平的 Mutex，你可以使用 sync.Cond 来实现。

Mutex常见问题

避免死锁

死锁是并发编程中一个常见的问题。如果一个 goroutine 持有一个 Mutex，然后再次尝试获取同一个 Mutex，那么它就会被阻塞，因为 Mutex 已经被它自己持有，只有当它释放 Mutex 后，它才能再次获取。这就是典型的死锁情况。

为了避免死锁，你需要确保每次获取 Mutex 的操作都有对应的释放操作，并且避免在持有 Mutex 的情况下再次获取同一个 Mutex。

使用defer释放Mutex

在 Go 语言中，我们通常使用 defer 语句来确保 Mutex 能够在函数退出时被正确释放，即使在函数中发生了 panic。

func increment() {
    lock.Lock()
    defer lock.Unlock()
    counter++
}

在这个例子中，无论 increment 函数是否正常退出，或者在执行过程中发生了 panic，defer 语句都会确保 lock.Unlock() 被执行，从而避免了死锁。

避免在持有Mutex时进行I/O操作

在持有 Mutex 的情况下进行 I/O 操作是非常危险的，因为 I/O 操作可能会花费很长时间，这将导致我们持有 Mutex 的时间过长，从而阻塞其他 goroutine。为了避免这个问题，我们应该在释放 Mutex 后再进行 I/O 操作。

不能重复解锁

为什么不能重复解锁呢？为什么 Go 不能设计为可以多次执行 Unlock()也不会触发 panic 呢？

原因：如果多次执行 Unlock()，那么可能每次都释放一个信号量，释放一个信号量就会唤醒另一个协程，这样会唤醒多个协程，多个协程被唤醒后会继续在 Lock()里抢锁，势必会增加 Lock() 实现的复杂度，也会导致不必要的协程切换。

Go语言Mutex互斥锁