Go Mutex功能拓展

首先要明确锁是性能下降的“罪魁祸首”之一，所以，有效地降低锁的竞争，就能够很好地提高性能。因此，监控关键互斥锁上等待的 goroutine 的数量，是我们分析锁竞争的激烈程度的一个重要指标

TryLock

我们可以为 Mutex 添加一个 TryLock 的方法，也就是尝试获取排外锁，当一个 goroutine 调用这个 TryLock 方法请求锁的时候，如果这把锁没有被其他 goroutine 所持有，那么，这个 goroutine 就持有了这把锁，并返回 true；如果这把锁已经被其他 goroutine 所持有，或者是正在准备交给某个被唤醒的 goroutine，那么，这个请求锁的 goroutine 就直接返回 false，不会阻塞在方法调用上。

// 复制Mutex定义的常量
const (
	mutexLocked = 1 << iota // 加锁标识位置
	mutexWoken // 唤醒标识位置
	mutexStarving // 锁饥饿标识位置
	mutexWaiterShift = iota // 标识waiter的起始bit位置
)
// 扩展一个Mutex结构
type Mutex struct {
	sync.Mutex
}
// 尝试获取锁
func (m *Mutex) TryLock() bool {
	// 如果能成功抢到锁
    if atomic.CompareAndSwapInt32((*int32)(unsafe.Pointer(&m.Mutex)), 0, mutexWoken){
		return true
	}
	// 如果处于唤醒、加锁或者饥饿状态，这次请求就不参与竞争了，返回false
	old := atomic.LoadInt32((*int32)(unsafe.Pointer(&m.Mutex)))
	if old&(mutexLocked|mutexStarving|mutexWoken) != 0 {
		return false
	}
	// 尝试在竞争的状态下请求锁
	new := old | mutexLocked
	return atomic.CompareAndSwapInt32((*int32)(unsafe.Pointer(&m.Mutex)), old,new)
}

第 17 行是一个 fast path，如果幸运，没有其他 goroutine 争这把锁，那么，这把锁就会被这个请求的 goroutine 获取，直接返回。如果锁已经被其他 goroutine 所持有，或者被其他唤醒的 goroutine 准备持有，那么，就直接返回 false，不再请求，代码逻辑在第 23 行。如果没有被持有，也没有其它唤醒的 goroutine 来竞争锁，锁也不处于饥饿状态，就尝试获取这把锁（第 29 行），不论是否成功都将结果返回。因为，这个时候，可能还有其他的 goroutine 也在竞争这把锁，所以，不能保证成功获取这把锁。

func TestTryLock(t *testing.T) {
	var mu Mutex
	go func() { // 启动一个goroutine持有一段时间的锁
		mu.Lock()
		time.Sleep(time.Duration(rand.Intn(2)) * time.Second)
		mu.Unlock()
	}()
	time.Sleep(time.Second)
	ok := mu.TryLock() // 尝试获取到锁
	if ok { // 获取成功
		fmt.Println("got the lock")
		// do something
		mu.Unlock()
		return
	}
	// 没有获取到
	fmt.Println("can't get the lock")
}

获取等待者的数量等指标

mutex包含两个字段，state 和 sema。前四个字节（int32）就是 state 字段。

type Mutex struct {
	state int32
	sema uint32
}

Mutex 结构中的 state 字段有很多个含义，通过 state 字段，你可以知道锁是否已经被某个 goroutine 持有、当前是否处于饥饿状态、是否有等待的 goroutine 被唤醒、等待者的数量等信息。但是，state 这个字段并没有暴露出来，所以，我们需要想办法获取到这个字段，并进行解析

const (
	mutexLocked = 1 << iota // mutex is locked
	mutexWoken
	mutexStarving
	mutexWaiterShift = iota
)
type Mutex struct {
	sync.Mutex
}
func (m *Mutex) Count() int {
	// 获取state字段的值
	v := atomic.LoadInt32((*int32)(unsafe.Pointer(&m.Mutex)))
	v = v >> mutexWaiterShift //得到等待者的数值
	v = v + (v & mutexLocked) //再加上锁持有者的数量，0或者1
	return int(v)
}

第 14 行通过 unsafe 操作，我们可以得到 state 字段的值。第 15 行我们右移三位（这里的常量 mutexWaiterShift 的值为 3），就得到了当前等待者的数量。如果当前的锁已经被其他 goroutine 持有，那么，我们就稍微调整一下这个值，加上一个 1（第 16 行），你基本上可以把它看作是当前持有和等待这把锁的 goroutine 的总数

state 这个字段的第一位是用来标记锁是否被持有，第二位用来标记是否已经唤醒了一个等待者，第三位标记锁是否处于饥饿状态，通过分析这个 state 字段我们就可以得到这些状态信息。我们可以为这些状态提供查询的方法，这样就可以实时地知道锁的状态了。

// 锁是否被持有
func (m *Mutex) IsLocked() bool {
	state := atomic.LoadInt32((*int32)(unsafe.Pointer(&m.Mutex)))
	return state&mutexLocked == mutexLocked
}
// 是否有等待者被唤醒
func (m *Mutex) IsWoken() bool {
	state := atomic.LoadInt32((*int32)(unsafe.Pointer(&m.Mutex)))
	return state&mutexWoken == mutexWoken
}
// 锁是否处于饥饿状态
func (m *Mutex) IsStarving() bool {
	state := atomic.LoadInt32((*int32)(unsafe.Pointer(&m.Mutex)))
	return state&mutexStarving == mutexStarving
}

我们可以写一个程序测试一下，比如，在 1000 个 goroutine 并发访问的情况下，我们可以把锁的状态信息输出出来

func count() {
	var mu Mutex
	for i := 0; i < 1000; i++ { // 启动1000个goroutine
		go func() {
			mu.Lock()
			time.Sleep(time.Second)
			mu.Unlock()
		}()
	}
	time.Sleep(time.Second)
	// 输出锁的信息
    fmt.Printf("waitings: %d, isLocked: %t, woken: %t, starving: %t\n",mu.Count())
}

有一点你需要注意一下，在获取 state 字段的时候，并没有通过 Lock 获取这把锁，所以获取的这个 state 的值是一个瞬态的值，可能在你解析出这个字段之后，锁的状态已经发生了变化。不过没关系，因为你查看的就是调用的那一时刻的锁的状态。

使用 Mutex 实现一个线程安全的队列

队列，我们可以通过 Slice 来实现，但是通过 Slice 实现的队列不是线程安全的，出队（Dequeue）和入队（Enqueue）会有 data race 的问题。这个时候，Mutex 就要隆重出场了，通过它，我们可以在出队和入队的时候加上锁的保护

type SliceQueue struct {
	data []interface{}
	mu sync.Mutex
}
func NewSliceQueue(n int) (q *SliceQueue) {
	return &SliceQueue{data: make([]interface{}, 0, n)}
}
// Enqueue 把值放在队尾
func (q *SliceQueue) Enqueue(v interface{}) {
	q.mu.Lock()
	q.data = append(q.data, v)
	q.mu.Unlock()
}
// Dequeue 移去队头并返回
func (q *SliceQueue) Dequeue() interface{} {
	q.mu.Lock()
	if len(q.data) == 0 {
		q.mu.Unlock()
		return nil
	}
	v := q.data[0]
	q.data = q.data[1:]
	q.mu.Unlock()
	return v
}

你可以为 Mutex 获取锁时加上 Timeout 机制吗？会有什么问题吗？

type Mutex struct {
	ch chan struct{}
}

func NewMutex() *Mutex {
	return &Mutex{make(chan struct{}, 1)}
}

func (m *Mutex) Lock() {
	m.ch <- struct{}{}
}

func (m *Mutex) Unlock() {
	<-m.ch
}

func (m *Mutex) TryLock(timeout time.Duration) error {
	timer := time.NewTimer(timeout)
	defer timer.Stop()
	select {
	case m.ch <- struct{}{}:
		return nil
	case <-timer.C:
		return errors.New("lock timeout")
	}
}

这种做法可能会对性能产生一定的影响，因为每次获取锁都需要启动一个协程。此外，使用 Timeout 机制可能会导致竞态条件的出现，因为多个协程可能同时尝试获取同一个资源。因此，需要根据具体的场景和需求来选择是否使用 Timeout 机制