面试题：Go中互斥锁（Mutex）在底层是如何实现加锁操作的？

数据结构

在Go语言中，互斥锁 Mutex 的底层数据结构定义在 src/sync/mutex.go 中，其结构如下：

type Mutex struct {
    state int32
    sema  uint32
}

state：这是一个32位整数，用于表示互斥锁的状态。其低3位有着不同的含义：
- 第0位（最低位）表示是否有锁被持有（0表示未持有，1表示持有）。
- 第1位表示是否有被唤醒的 goroutine 正在等待获取锁。
- 第2位表示是否处于饥饿模式（0表示正常模式，1表示饥饿模式）。
sema：这是一个信号量，用于阻塞和唤醒等待获取锁的 goroutine。当一个 goroutine 无法获取锁时，它会通过 runtime_Semacquire 函数等待在这个信号量上，而当锁被释放时，会通过 runtime_Semrelease 函数唤醒等待在信号量上的 goroutine。

加锁操作具体步骤

快速检查与尝试获取锁：
- 首先，Lock 方法会尝试快速获取锁。它会检查 state 的最低位是否为0（即锁是否未被持有）。如果未被持有，它会尝试通过 atomic.CompareAndSwapInt32 原子操作将 state 的最低位设置为1，以此来获取锁。如果这个操作成功，说明获取锁成功，加锁操作完成。
正常模式下的竞争处理：
- 如果快速获取锁失败，说明存在竞争。此时，Lock 方法会根据当前锁的状态和模式进行处理。在正常模式下，它会先将 state 的第1位设置为1，表示有 goroutine 在等待锁。然后，通过 runtime_Semacquire 函数将当前 goroutine 阻塞在 sema 信号量上。
- 当持有锁的 goroutine 释放锁时（Unlock 操作），它会检查是否有等待的 goroutine（通过检查 state 的第1位）。如果有，它会通过 runtime_Semrelease 函数唤醒一个等待的 goroutine。被唤醒的 goroutine 会尝试获取锁，获取成功后会将 state 的第1位清零。
饥饿模式处理：
- 如果在正常模式下，一个等待的 goroutine 等待时间过长（超过1毫秒），锁会进入饥饿模式。在饥饿模式下，当持有锁的 goroutine 释放锁时，它会直接将锁交给等待队列中最前面的 goroutine（而不是让新的 goroutine 有机会竞争）。
- 处于饥饿模式下的 goroutine 一旦获取到锁，它会持续持有锁，直到没有其他等待的 goroutine 或者它等待的时间超过1毫秒。如果它等待时间超过1毫秒，它会将锁切换回正常模式。

总的来说，Go语言的互斥锁通过 state 字段记录锁的状态和等待情况，通过 sema 信号量来阻塞和唤醒等待锁的 goroutine，以实现高效的并发控制。

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面试题：Go中互斥锁（Mutex）在底层是如何实现加锁操作的？

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面试题答案

数据结构

加锁操作具体步骤