Go1.24: mutex自旋优化,最大提升70%的性能

用户11547645

发布于 2025-03-07 16:13:35

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背景

Rhys Hiltner 在 2024 年提出了改进互斥锁的性能优化诉求[1]。现在这个优化已经合并到即将发布的Go1.24中，在锁竞争激烈的场景下最多会提升70%的性能。

source https://github.com/golang/go/issues/68578

在基准测试 ChanContended 中，作者发现随着 GOMAXPROCS 的增加，mutex 的性能明显下降。 Intel i7-13700H (linux/amd64)：

当允许使用 4 个线程时，整个进程的吞吐量是单线程时的一半。
当允许使用 8 个线程时，吞吐量再次减半。
当允许使用 12 个线程时，吞吐量再次减半。
在 GOMAXPROCS=20 时，200 次channel操作平均耗时 44 微秒，平均每 220 纳秒调用一次 unlock2，每次都有机会唤醒一个睡眠线程。另一个角度是考虑进程的 CPU占用时间。下面的数据显示，在 1.78 秒的Wall-Clock Time内，进程的20个线程在lock2调用中总共有27.74秒处于CPU(自旋)上。

这些 lock2 相关的线程并没有休眠，而是一直在自旋，这将消耗大量的CPU资源。

新提案：增加spinning状态

通过上述的分析，作者发现在当前的lock2实现中，虽然理论上允许线程睡眠，但实际上导致所有线程都在自旋，导致了更慢的锁传递，带来了不少的性能损耗。于是提出了新的设计方案《Proposal: Improve scalability of runtime.lock2》[2]

核心优化点

mutex 的状态字添加了一个个新的标志位，称为 “spinning”。

https://github.com/golang/go/blob/608acff8479640b00c85371d91280b64f5ec9594/src/runtime/lock_spinbit.go#L57
const (
    mutexLocked = 0x001
    mutexSleeping = 0x002
    mutexSpinning = 0x100
    ...
)

使用这个 spinning位来表示是否有一个等待的线程处于 “醒着并循环尝试获取锁” 的状态。线程之间会互相排除进入 spinning状态，但它们不会因为尝试获取这个标志位而阻塞。

metux 的介绍可以参考以前的文章 https://pub.huizhou92.com/go-source-code-sync-mutex-3082a25ef092[3]

Mutex 获取锁分析

1. 快速路径尝试获取锁

//https://github.com/golang/go/blob/adc9c455873fef97c5759e4811f0d9c8217fe27b/src/runtime/lock_spinbit.go#L160
k8 := key8(&l.key)
v8 := atomic.Xchg8(k8, mutexLocked) 
if v8&mutexLocked == 0 {
    if v8&mutexSleeping != 0 {
        atomic.Or8(k8, mutexSleeping)
    }
    return
}

fast 模式跟以前变化不大。如果成功(锁之前未被持有)则快速返回。这是最理想的情况，无竞争时的快速路径。

2. 自旋等待阶段

//https://github.com/golang/go/blob/adc9c455873fef97c5759e4811f0d9c8217fe27b/src/runtime/lock_spinbit.go#L208
if !weSpin && v&mutexSpinning == 0 && atomic.Casuintptr(&l.key, v, v|mutexSpinning) {
    v |= mutexSpinning 
    weSpin = true
}

if weSpin || atTail || mutexPreferLowLatency(l) {
if i < spin {
        procyield(mutexActiveSpinSize)  //主动自旋
// ...
    } elseif i < spin+mutexPassiveSpinCount {
        osyield() //被动自旋
// ...
    }
}

如果快速路径失败，进入自旋等待阶段。
通过 mutexSpinning[4] 标志控制同时只允许一个 goroutine 自旋
自旋分为procyield与osyield，两者的区别是:procyield会持续占有CPU，响应会更快，适合极短时间的等待，osyield会临时释放CPU，响应较慢，但是不会占用较多CPU，适用于较长时间的等待。这种两阶段自旋设计能够在不同竞争强度下都保持较好的性能表现。
轻度竞争时主要使用主动自旋，保证低延迟
重度竞争时快速进入被动自旋，避免CPU资源浪费

休眠等待阶段

//https://github.com/golang/go/blob/adc9c455873fef97c5759e4811f0d9c8217fe27b/src/runtime/lock_spinbit.go#L231
// Store the current head of the list of sleeping Ms in our gp.m.mWaitList.next field
gp.m.mWaitList.next = mutexWaitListHead(v)

// Pack a (partial) pointer to this M with the current lock state bits
next := (uintptr(unsafe.Pointer(gp.m)) &^ mutexMMask) | v&mutexMMask | mutexSleeping
if weSpin {
    next = next &^ mutexSpinning
}

if atomic.Casuintptr(&l.key, v, next) {
    weSpin = false
    semasleep(-1)
    atTail = gp.m.mWaitList.next == 0
    i = 0
}

如果自旋失败，goroutine 将进入休眠等待，然后将当前 M 加入等待队列(通过 mWaitList 链表)，通过信号量(semasleep[5])使当前 goroutine 进入休眠，等待持有锁的 goroutine 在解锁时唤醒。

当某个线程解锁互斥锁时，如果发现已经有线程处于 “醒着并旋转” 的状态，就不会唤醒其他线程。在 Go 运行时的背景下，这种设计被称为 spinbit。这个设计的核心目的是：通过让一个线程负责 “旋转尝试获取锁”，避免所有线程都同时竞争资源，从而减少争用和不必要的线程切换。

效果

goos: linux
goarch: amd64
pkg: runtime
cpu: 13th Gen Intel(R) Core(TM) i7-13700H
                │     old     │                  new                  │
                │   sec/op    │    sec/op     vs base                 │
ChanContended      3.147µ ± 0%    3.703µ ± 0%   +17.65% (p=0.000 n=10)
ChanContended-2    4.511µ ± 2%    5.280µ ± 7%   +17.06% (p=0.000 n=10)
ChanContended-3    5.726µ ± 2%   12.125µ ± 2%  +111.75% (p=0.000 n=10)
ChanContended-4    6.574µ ± 1%   13.356µ ± 4%  +103.16% (p=0.000 n=10)
ChanContended-5    7.706µ ± 1%   13.717µ ± 3%   +78.00% (p=0.000 n=10)
ChanContended-6    8.830µ ± 1%   13.674µ ± 2%   +54.85% (p=0.000 n=10)
ChanContended-7    11.07µ ± 0%    13.59µ ± 2%   +22.77% (p=0.000 n=10)
ChanContended-8    13.99µ ± 1%    14.06µ ± 1%         ~ (p=0.190 n=10)
ChanContended-9    16.93µ ± 2%    14.04µ ± 3%   -17.04% (p=0.000 n=10)
ChanContended-10   20.12µ ± 4%    14.12µ ± 1%   -29.80% (p=0.000 n=10)
ChanContended-11   23.96µ ± 2%    14.44µ ± 3%   -39.74% (p=0.000 n=10)
ChanContended-12   29.65µ ± 6%    14.61µ ± 3%   -50.74% (p=0.000 n=10)
ChanContended-13   33.98µ ± 7%    14.69µ ± 3%   -56.76% (p=0.000 n=10)
ChanContended-14   37.90µ ± 1%    14.69µ ± 3%   -61.23% (p=0.000 n=10)
ChanContended-15   37.94µ ± 4%    14.89µ ± 5%   -60.75% (p=0.000 n=10)
ChanContended-16   39.56µ ± 0%    13.89µ ± 1%   -64.89% (p=0.000 n=10)
ChanContended-17   39.56µ ± 0%    14.45µ ± 4%   -63.47% (p=0.000 n=10)
ChanContended-18   41.24µ ± 2%    13.95µ ± 3%   -66.17% (p=0.000 n=10)
ChanContended-19   42.77µ ± 5%    13.80µ ± 2%   -67.74% (p=0.000 n=10)
ChanContended-20   44.26µ ± 2%    13.74µ ± 1%   -68.96% (p=0.000 n=10)
geomean            17.60µ         12.46µ        -29.22%