一文讀懂go中semaphore(信號量)源碼

// Semaphore implementation exposed to Go.
// Intended use is provide a sleep and wakeup
// primitive that can be used in the contended case
// of other synchronization primitives.
// Thus it targets the same goal as Linux's futex,
// but it has much simpler semantics.
//
// That is, don't think of these as semaphores.
// Think of them as a way to implement sleep and wakeup
// such that every sleep is paired with a single wakeup,
// even if, due to races, the wakeup happens before the sleep.

// 具體的用法是提供 sleep 和 wakeup 原語
// 以使其能夠在其它同步原語中的競爭情況下使用
// 因此這里的 semaphore 和 Linux 中的 futex 目標(biāo)是一致的
// 只不過語義上更簡單一些
//
// 也就是說，不要認(rèn)為這些是信號量
// 把這里的東西看作 sleep 和 wakeup 實現(xiàn)的一種方式
// 每一個 sleep 都會和一個 wakeup 配對
// 即使在發(fā)生 race 時，wakeup 在 sleep 之前時也是如此 

// 獲取互斥鎖
// 阻塞等待所有讀操作結(jié)束（如果有的話）
func (rw *RWMutex) Lock() {
	...
	// 原子的修改readerCount的值，直接將readerCount減去rwmutexMaxReaders
	// 說明，有寫鎖進(jìn)來了，這在上面的讀鎖中也有體現(xiàn)
	r := atomic.AddInt32(rw.readerCount, -rwmutexMaxReaders) + rwmutexMaxReaders
	// 當(dāng)r不為0說明，當(dāng)前寫鎖之前有讀鎖的存在
	// 修改下readerWait，也就是當(dāng)前寫鎖需要等待的讀鎖的個數(shù) 
	if r != 0  atomic.AddInt32(rw.readerWait, r) != 0 {
		// 阻塞當(dāng)前寫鎖
		runtime_SemacquireMutex(rw.writerSem, false, 0)
	}
	...
}

// 減少讀操作計數(shù)，即readerCount--
// 喚醒等待寫操作的協(xié)程（如果有的話）
func (rw *RWMutex) RUnlock() {
	...
	// 首先通過atomic的原子性使readerCount-1
	// 1.若readerCount大于0, 證明當(dāng)前還有讀鎖, 直接結(jié)束本次操作
	// 2.若readerCount小于0, 證明已經(jīng)沒有讀鎖, 但是還有因為讀鎖被阻塞的寫鎖存在
	if r := atomic.AddInt32(rw.readerCount, -1); r  0 {
		// 嘗試喚醒被阻塞的寫鎖
		rw.rUnlockSlow(r)
	}
	...
}

func (rw *RWMutex) rUnlockSlow(r int32) {
	...
	// readerWait--操作，如果readerWait--操作之后的值為0，說明，寫鎖之前，已經(jīng)沒有讀鎖了
	// 通過writerSem信號量，喚醒隊列中第一個阻塞的寫鎖
	if atomic.AddInt32(rw.readerWait, -1) == 0 {
		// 喚醒一個寫鎖
		runtime_Semrelease(rw.writerSem, false, 1)
	}
}

// Semacquire等待*s > 0，然后原子遞減它。
// 它是一個簡單的睡眠原語，用于同步
// library and不應(yīng)該直接使用。
func runtime_Semacquire(s *uint32)

// SemacquireMutex類似于Semacquire,用來阻塞互斥的對象
// 如果lifo為true，waiter將會被插入到隊列的頭部
// skipframes是跟蹤過程中要省略的幀數(shù)，從這里開始計算
// runtime_SemacquireMutex's caller.
func runtime_SemacquireMutex(s *uint32, lifo bool, skipframes int)

// Semrelease會自動增加*s并通知一個被Semacquire阻塞的等待的goroutine
// 它是一個簡單的喚醒原語，用于同步
// library and不應(yīng)該直接使用。
// 如果handoff為true, 傳遞信號到隊列頭部的waiter
// skipframes是跟蹤過程中要省略的幀數(shù)，從這里開始計算
// runtime_Semrelease's caller.
func runtime_Semrelease(s *uint32, handoff bool, skipframes int)

//go:linkname sync_runtime_Semacquire sync.runtime_Semacquire
func sync_runtime_Semacquire(addr *uint32) {
	semacquire1(addr, false, semaBlockProfile, 0)
}

//go:linkname sync_runtime_Semrelease sync.runtime_Semrelease
func sync_runtime_Semrelease(addr *uint32, handoff bool, skipframes int) {
	semrelease1(addr, handoff, skipframes)
}

//go:linkname sync_runtime_SemacquireMutex sync.runtime_SemacquireMutex
func sync_runtime_SemacquireMutex(addr *uint32, lifo bool, skipframes int) {
	semacquire1(addr, lifo, semaBlockProfile|semaMutexProfile, skipframes)
}

// sudogs are allocated from a special pool. Use acquireSudog and
// releaseSudog to allocate and free them.
type sudog struct {
	// 以下字段受hchan保護(hù)
	g *g

	// isSelect 表示 g 正在參與一個 select, so
	// 因此 g.selectDone 必須以 CAS 的方式來獲取wake-up race.
	isSelect bool
	next  *sudog
	prev  *sudog
	elem  unsafe.Pointer // 數(shù)據(jù)元素（可能指向棧）

	// 以下字段不會并發(fā)訪問。
	// 對于通道，waitlink只被g訪問。
	// 對于信號量，所有字段(包括上面的字段)
	// 只有當(dāng)持有一個semroot鎖時才被訪問。
	acquiretime int64
	releasetime int64
	ticket  uint32
	parent  *sudog //semaRoot 二叉樹
	waitlink *sudog // g.waiting 列表或 semaRoot
	waittail *sudog // semaRoot
	c   *hchan // channel
}

// go/src/runtime/proc.go
//go:nosplit
func acquireSudog() *sudog {
	// Delicate dance: 信號量的實現(xiàn)調(diào)用acquireSudog，然后acquireSudog調(diào)用new(sudog)
	// new調(diào)用malloc, malloc調(diào)用垃圾收集器，垃圾收集器在stopTheWorld調(diào)用信號量
	// 通過在new(sudog)周圍執(zhí)行acquirem/releasem來打破循環(huán)
	// acquirem/releasem在new(sudog)期間增加m.locks，防止垃圾收集器被調(diào)用。

	// 獲取當(dāng)前 g 所在的 m
	mp := acquirem()
	// 獲取p的指針
	pp := mp.p.ptr()
	if len(pp.sudogcache) == 0 {
		lock(sched.sudoglock)
		// 首先，嘗試從中央緩存獲取一批數(shù)據(jù)。
		for len(pp.sudogcache)  cap(pp.sudogcache)/2  sched.sudogcache != nil {
			s := sched.sudogcache
			sched.sudogcache = s.next
			s.next = nil
			pp.sudogcache = append(pp.sudogcache, s)
		}
		unlock(sched.sudoglock)
		// 如果中央緩存中沒有，新分配
		if len(pp.sudogcache) == 0 {
			pp.sudogcache = append(pp.sudogcache, new(sudog))
		}
	}
	// 取緩存中最后一個
	n := len(pp.sudogcache)
	s := pp.sudogcache[n-1]
	pp.sudogcache[n-1] = nil
	// 將剛?cè)〕龅脑诰彺嬷幸瞥?
	pp.sudogcache = pp.sudogcache[:n-1]
	if s.elem != nil {
		throw("acquireSudog: found s.elem != nil in cache")
	}
	releasem(mp)
	return s
}

// go/src/runtime/proc.go
//go:nosplit
func releaseSudog(s *sudog) {
	if s.elem != nil {
		throw("runtime: sudog with non-nil elem")
	}
	if s.isSelect {
		throw("runtime: sudog with non-false isSelect")
	}
	if s.next != nil {
		throw("runtime: sudog with non-nil next")
	}
	if s.prev != nil {
		throw("runtime: sudog with non-nil prev")
	}
	if s.waitlink != nil {
		throw("runtime: sudog with non-nil waitlink")
	}
	if s.c != nil {
		throw("runtime: sudog with non-nil c")
	}
	gp := getg()
	if gp.param != nil {
		throw("runtime: releaseSudog with non-nil gp.param")
	}
	// 避免重新安排到另一個P
	mp := acquirem() // avoid rescheduling to another P
	pp := mp.p.ptr()
	// 如果緩存滿了
	if len(pp.sudogcache) == cap(pp.sudogcache) {
		// 將本地高速緩存的一半傳輸?shù)街醒敫咚倬彺?
		var first, last *sudog
		for len(pp.sudogcache) > cap(pp.sudogcache)/2 {
			n := len(pp.sudogcache)
			p := pp.sudogcache[n-1]
			pp.sudogcache[n-1] = nil
			pp.sudogcache = pp.sudogcache[:n-1]
			if first == nil {
				first = p
			} else {
				last.next = p
			}
			last = p
		}
		lock(sched.sudoglock)
		last.next = sched.sudogcache
		sched.sudogcache = first
		unlock(sched.sudoglock)
	}
	// 歸還sudog到`per-P`緩存中
	pp.sudogcache = append(pp.sudogcache, s)
	releasem(mp)
}

// go/src/runtime/sema.go
// 用于sync.Mutex的異步信號量。

// semaRoot擁有一個具有不同地址（s.elem）的sudog平衡樹。
// 每個sudog都可以依次（通過s.waitlink）指向一個列表，在相同地址上等待的其他sudog。
// 對具有相同地址的sudog內(nèi)部列表進(jìn)行的操作全部為O（1）。頂層semaRoot列表的掃描為O（log n），
// 其中，n是阻止goroutines的不同地址的數(shù)量，通過他們散列到給定的semaRoot。
type semaRoot struct {
	lock mutex
	// waiters的平衡樹的根節(jié)點
	treap *sudog
	// waiters的數(shù)量，讀取的時候無所
	nwait uint32
}

// Prime to not correlate with any user patterns.
const semTabSize = 251

var semtable [semTabSize]struct {
	root semaRoot
	pad [cpu.CacheLinePadSize - unsafe.Sizeof(semaRoot{})]byte
}

// go/src/runtime/sema.go
//go:linkname poll_runtime_Semacquire internal/poll.runtime_Semacquire
func poll_runtime_Semacquire(addr *uint32) {
	semacquire1(addr, false, semaBlockProfile, 0)
}
//go:linkname sync_runtime_SemacquireMutex sync.runtime_SemacquireMutex
func sync_runtime_SemacquireMutex(addr *uint32, lifo bool, skipframes int) {
	semacquire1(addr, lifo, semaBlockProfile|semaMutexProfile, skipframes)
}


func semacquire1(addr *uint32, lifo bool, profile semaProfileFlags, skipframes int) {
	// 判斷這個goroutine，是否是m上正在運(yùn)行的那個
	gp := getg()
	if gp != gp.m.curg {
		throw("semacquire not on the G stack")
	}

	// *addr -= 1
	if cansemacquire(addr) {
		return
	}

	// 增加等待計數(shù)
	// 再試一次 cansemacquire 如果成功則直接返回
	// 將自己作為等待者入隊
	// 休眠
	// (等待器描述符由出隊信號產(chǎn)生出隊行為)

	// 獲取一個sudog
	s := acquireSudog()
	root := semroot(addr)
	t0 := int64(0)
	s.releasetime = 0
	s.acquiretime = 0
	s.ticket = 0
	if profilesemaBlockProfile != 0  blockprofilerate > 0 {
		t0 = cputicks()
		s.releasetime = -1
	}
	if profilesemaMutexProfile != 0  mutexprofilerate > 0 {
		if t0 == 0 {
			t0 = cputicks()
		}
		s.acquiretime = t0
	}
	for {
		lock(root.lock)
		// 添加我們自己到nwait來禁用semrelease中的"easy case"
		atomic.Xadd(root.nwait, 1)
		// 檢查cansemacquire避免錯過喚醒
		if cansemacquire(addr) {
			atomic.Xadd(root.nwait, -1)
			unlock(root.lock)
			break
		}
		// 任何在 cansemacquire 之后的 semrelease 都知道我們在等待（因為設(shè)置了 nwait），因此休眠

		// 隊列將s添加到semaRoot中被阻止的goroutine中
		root.queue(addr, s, lifo)
		// 將當(dāng)前goroutine置于等待狀態(tài)并解鎖鎖。
		// 通過調(diào)用goready（gp），可以使goroutine再次可運(yùn)行。
		goparkunlock(root.lock, waitReasonSemacquire, traceEvGoBlockSync, 4+skipframes)
		if s.ticket != 0 || cansemacquire(addr) {
			break
		}
	}
	if s.releasetime > 0 {
		blockevent(s.releasetime-t0, 3+skipframes)
	}

	// 歸還sudog
	releaseSudog(s)
}

func cansemacquire(addr *uint32) bool {
	for {
		v := atomic.Load(addr)
		if v == 0 {
			return false
		}
		if atomic.Cas(addr, v, v-1) {
			return true
		}
	}
}

// go/src/runtime/sema.go
//go:linkname sync_runtime_Semrelease sync.runtime_Semrelease
func sync_runtime_Semrelease(addr *uint32, handoff bool, skipframes int) {
	semrelease1(addr, handoff, skipframes)
}

func semrelease1(addr *uint32, handoff bool, skipframes int) {
	root := semroot(addr)
	atomic.Xadd(addr, 1)

	// Easy case:沒有等待者
	// 這個檢查必須發(fā)生在xadd之后，以避免錯過喚醒
	if atomic.Load(root.nwait) == 0 {
		return
	}

	// Harder case: 找到等待者，并且喚醒
	lock(root.lock)
	if atomic.Load(root.nwait) == 0 {
		// 該計數(shù)已被另一個goroutine占用，
		// 因此無需喚醒其他goroutine。
		unlock(root.lock)
		return
	}

	// 搜索一個等待著然后將其喚醒
	s, t0 := root.dequeue(addr)
	if s != nil {
		atomic.Xadd(root.nwait, -1)
	}
	unlock(root.lock)
	if s != nil { // 可能會很慢，因此先解鎖
		acquiretime := s.acquiretime
		if acquiretime != 0 {
			mutexevent(t0-acquiretime, 3+skipframes)
		}
		if s.ticket != 0 {
			throw("corrupted semaphore ticket")
		}
		if handoff  cansemacquire(addr) {
			s.ticket = 1
		}
		// goready(s.g, 5) 
		// 標(biāo)記 runnable，等待被重新調(diào)度
		readyWithTime(s, 5+skipframes)
	}
}