概述
Go中提供了互斥锁：sync.Mutex。sync.Mutex提供了以下方法：
type Mutex
// 加锁。如果已经有goroutine持有了锁，那么就阻塞等待直到持有锁
func (m *Mutex) Lock()
// 尝试加锁。如果加锁成功就返回true，否则返回失败
func (m *Mutex) TryLock() bool
// 解锁。Lock和TryLock都使用Unlock来解锁。
// 如果Mutex没有调用Lock直接调用Unlock会panic。我们有UT来测试这个场景。
func (m *Mutex) Unlock()
COPY
使用锁的最佳实践：加锁之后立即调用解锁,示例如下：
mux := sync.Mutex{}
mux.Lock()
defer mux.Unlock()
//接下来的所业务逻辑
COPY
公平性
sync.Mutex的公平性在实现源码里面有详细的说明。Mutex共有两种操作模式：
- 普通
- 饥饿
普通操作模式
在普通操作模式下，goroutine在没有获取到锁时会加入等待队列，队列是先进先出(FIFO order)，但是如果其他goroutine释放了锁，在队列中等待锁的gorouine会和新到达的goroutine竞争锁的拥有权。一般来说新到达的goroutine会获胜因为新到达的goroutine正在CPU上运行，所以等待队列中的goroutine很可能会竞争失败。但是在竞争失败后会将唤醒的goroutine放到队列前面。如果等待的goroutine尝试获取锁的时间超过了1毫秒，那么Mutex切换到饥饿模式。
饥饿操作模式
饥饿操作模式下，新的goroutines达到后不会抢占锁而是排队等待，排在队尾。
其他goroutines释放了锁以后队头的goroutines会获取锁。在等待队列中的最后一个goroutine获取到锁以后会将Mutex的操作模式切换到普通操作模式。
对比
| 对比项 | 普通模式 | 饥饿模式 |
|---|---|---|
| 锁的所有权转移 | 等待者和新到来的goroutines向互斥锁竞争 | 解锁的goroutine直接将所有权交给队列中的第一个等待者 |
| 性能 | 高，一个goroutine可以连续多次获得互斥锁，即使有等待者被阻塞 | 稍低，因为每次解锁后，都会直接将所有权传递给等待队列中的下一个goroutine |
| 公平性 | 较差，新到来的goroutine更有可能获得锁 | 高，等待时间较长的goroutine会被优先考虑 |
| 防止饥饿现象 | 无明显机制 | 有利于阻止饥饿现象，因为锁的所有权直接从当前的持有者转交给等待队列中的下一个goroutine |
| 转换触发机制 | 如果一个等待者尝试获取锁超过1ms都失败了，就会切换到饥饿模式 | 如果一个goroutine得到锁后，看到它是队列中的最后一个等待者，或者它等待的时间小于1ms，就会切换回普通模式 |
普通模式和饥饿模式是性能和公平性的一个权衡。
sync.Mutex也有锁升级
熟悉Java的小伙伴们可能知道Java中synchronized会锁升级：无锁->偏向锁->轻量级锁->重量级锁。ReentrantLock默认就是非公平锁：新到来的线程也会抢占一下锁，不行再排队。
默认情况下，Go语言的 sync.Mutex 是处于普通模式（类似于轻量级锁），其中主要使用的是自旋等待的方式（我个人测试是自旋4次），并且当锁被释放时，新到来的goroutine和等待队列中的goroutine并没有明确的优先级，任何一个goroutine都有可能获取到锁。
当一个goroutine在等待锁超过一定时间（默认为1ms）后，会将互斥锁设置为饥饿模式（类似于重量级锁）。在这个模式下，对锁的竞争会变得更加有序，锁会直接从当前的持有者传递给等待队列中的下一个goroutine，这就避免了新到来的goroutine可能"插队"成功的情况，降低了等待队列中的goroutine的饥饿可能。此模式下锁的获取由原来的可能的"插队"成功，变成了公平的FIFO顺序，意思是系统会保证等待时间最长的goroutine能优先获取到锁。饥饿模式虽然更公平但是会带来更多的上下文切换开销。
使用测试
其实测试也没太多好测的，因为使用场景比较简单。测试用例覆盖了以下场景：
- 测试互斥锁在未锁定状态时能否成功锁定。
- 测试当一个协程已经锁定互斥锁时，其他协程尝试锁定是否会被阻塞。
- 测试在没有其他互斥锁的情况下，尝试使用 TryLock 方法是否能成功锁定互斥锁。
- 测试当已有协程锁定互斥锁时，尝试使用 TryLock 方法是否不能成功锁定互斥锁。
- 测试在多个协程并发情况下，使用互斥锁来保护自增操作是否线程安全。
- 测试在未锁定互斥锁的情况下进行解锁操作是否会报错。
- 测试当一协程长时间持有锁时，其他协程尝试获取互斥锁是否会发生饥饿现象。
测试代码
import (
"runtime"
"sync"
"testing"
"time"
"github.com/stretchr/testify/assert"
)
// TestMutex_ShouldLock_WhenNotLockedBefore 测试互斥锁在未锁定状态时能否成功锁定。
// 参数 t 用于测试上下文，提供测试控制和日志记录功能。
func TestMutex_ShouldLock_WhenNotLockedBefore(t *testing.T) {
// 创建一个互斥锁
mux := sync.Mutex{}
// 尝试锁定互斥锁
mux.Lock()
// 标记锁定是否成功
isSuccess := true
// 确保在函数退出时解锁，避免死锁
defer mux.Unlock()
// 验证锁定是否成功
assert.True(t, isSuccess)
}
// TestMutex_ShouldBlock_WhenUsingLockAndOneRoutineHasLocked 测试当一个协程已经锁定互斥锁时，
// 其他协程尝试锁定是否会被阻塞。
// 参数 t 用于测试上下文，提供测试控制和日志记录功能。
func TestMutex_ShouldBlock_WhenUsingLockAndOneRoutineHasLocked(t *testing.T) {
// 创建一个互斥锁
mux := sync.Mutex{}
// 创建一个等待组，用于同步协程
wg := sync.WaitGroup{}
// 添加一个计数，表示要等待的一个协程
wg.Add(1)
// 启动一个协程去锁定互斥锁
go func() {
// 表示协程启动完成
wg.Done()
// 尝试锁定互斥锁
mux.Lock()
// 确保在函数退出时解锁
defer mux.Unlock()
// 持锁一段时间，模拟锁定状态
time.Sleep(5 * time.Second)
}()
// 等待协程启动完成
wg.Wait()
println("go routine started")
// 主协程尝试锁定互斥锁，应被阻塞
mux.Lock()
// 标记锁定是否成功
isSuccess := true
// 确保解锁
defer mux.Unlock()
// 验证主协程是否成功锁定
assert.True(t, isSuccess)
}
// TestMutex_ShouldLocked_WhenTryLockAndNoOtherLockers 测试在没有其他锁定的情况下，
// 尝试使用 TryLock 方法是否能成功锁定互斥锁。
// 参数 t 用于测试上下文，提供测试控制和日志记录功能。
func TestMutex_ShouldLocked_WhenTryLockAndNoOtherLockers(t *testing.T) {
// 创建一个互斥锁
mux := sync.Mutex{}
// 尝试立即锁定互斥锁
isSuccess := mux.TryLock()
// 确保解锁
defer mux.Unlock()
// 验证是否成功锁定
assert.True(t, isSuccess)
}
// TestMutex_ShouldNotLocked_WhenTryLockAndOtherLockers 测试当已有协程锁定互斥锁时，
// 尝试使用 TryLock 方法是否不能成功锁定互斥锁。
// 参数 t 用于测试上下文，提供测试控制和日志记录功能。
func TestMutex_ShouldNotLocked_WhenTryLockAndOtherLockers(t *testing.T) {
// 创建一个互斥锁
mux := sync.Mutex{}
// 创建一个等待组，用于同步协程
wg := sync.WaitGroup{}
// 添加一个计数，表示要等待的一个协程
wg.Add(1)
// 启动一个协程去锁定互斥锁
go func() {
// 表示协程启动完成
//这里先调用Done是为了不继续阻塞wg.Wait()让wg.Wait()之后的mutex.Lock可以继续执行
wg.Done()
// 尝试锁定互斥锁
mux.Lock()
// 确保在函数退出时解锁
defer mux.Unlock()
// 持锁一段时间，模拟锁定状态
time.Sleep(5 * time.Second)
}()
// 等待协程启动完成
wg.Wait()
// 尝试立即锁定互斥锁
isSuccess := mux.TryLock()
// 确保解锁
defer mux.Unlock()
// 验证是否未能成功锁定
assert.False(t, isSuccess)
}
// TestMutex_ShouldIncrementCounterSuccess_WhenUseMultipleGoroutineAndAddCounterInLock 测试在多个协程并发情况下，使用Mutex锁定来增加计数器是否成功
// 参数:
// - t *testing.T: 测试环境的句柄，用于报告测试失败和日志记录
// 返回值: 无
func TestMutex_ShouldIncrementCounterSuccess_WhenUseMultipleGoroutineAndAddCounterInLock(t *testing.T) {
// 初始化互斥锁、等待组和计数器
mux := sync.Mutex{}
wg := sync.WaitGroup{}
counter := 0
// 设置运行时的最大协程数为10，以模拟并发环境
runtime.GOMAXPROCS(10)
// 添加100个协程来并发执行增加计数器的操作
wg.Add(100)
for i := 0; i < 100; i++ {
go func() {
// 在协程结束时释放等待组
defer wg.Done()
// 加锁以确保对计数器的操作是互斥的
mux.Lock()
defer mux.Unlock()
// 增加计数器
counter++
}()
}
// 等待所有协程完成
wg.Wait()
// 验证计数器是否被正确地增加了100次
assert.Equal(t, 100, counter)
}
// TestMutex_ShouldPanic_WhenUnlockWithoutLock 测试当互斥锁没有被锁定时，尝试解锁是否会引发Panic。
// 参数 t *testing.T 用于测试的上下文，提供测试控制和日志记录功能。
func TestMutex_ShouldPanic_WhenUnlockWithoutLock(t *testing.T) {
// 创建一个 sync.Mutex 实例。
mux := sync.Mutex{}
// 使用 assert 包的 Panics 函数来断言是否会引发Panic。
assert.Panics(t, func() {
// 尝试解锁一个没有被锁定的互斥锁。
mux.Unlock()
})
}
// TestMutex_ShouldStarvation_WhenOneRoutineHoldLockedForLongTime 测试当一个协程长时间持有互斥锁时，
// 其他协程是否会出现饥饿现象。参数 t *testing.T 用于测试的上下文，提供测试控制和日志记录功能。
func TestMutex_ShouldStarvation_WhenOneRoutineHoldLockedForLongTime(t *testing.T) {
// 定义一个 sync.Mutex 实例用于测试互斥锁饥饿问题。
var mu sync.Mutex
// 用于同步协程开始的 waitgroup。
var start sync.WaitGroup
// 用于同步协程结束的 waitgroup。
var done sync.WaitGroup
start.Add(1) // 准备启动一个协程。
done.Add(1) // 等待一个协程完成。
go func() { // 启动一个协程长时间持有锁。
start.Done() // 表示协程已启动并准备好。
mu.Lock() // 获取锁并长时间持有。
time.Sleep(1000 * time.Second)
mu.Unlock() // 最终释放锁。
done.Done() // 表示协程已完成。
}()
start.Wait() // 等待协程开始并持有锁。
time.Sleep(time.Millisecond) // 稍微延时以确保锁被持有。
start.Add(1) // 准备启动另一个协程。
done.Add(1) // 等待另一个协程完成。
go func() { // 启动另一个协程尝试获取锁，以测试是否出现饥饿。
start.Done() // 表示协程已启动并准备好。
mu.Lock() // 尝试获取锁。
t.Log("Starving goroutine got the lock") // 如果获取到锁，则记录日志。
mu.Unlock() // 最终释放锁。
done.Done() // 表示协程已完成。
}()
start.Wait() // 等待第二个协程开始。
time.Sleep(time.Millisecond) // 稍微延时以确保尝试获取锁的协程已运行。
mu.Lock() // 主协程尝试获取锁，以进一步测试饥饿情况。
t.Log("Main goroutine got the lock") // 如果获取到锁，则记录日志。
mu.Unlock() // 释放主协程持有的锁。
done.Wait() // 等待所有协程完成，确保测试完整执行。
}
