和 std Mutex 比

主线位置：主线 1 的对照组。同样是「两个线程抢一把锁」，parking_lot 在本机走停车场（每线程一个 pthread 条件变量），std 走 pthread mutex；在 Linux 上 std 走自己的 futex 实现。这一页给出两者的结构差别和本机的实测数字。

flowchart LR
  subgraph pl["parking_lot::Mutex<T>（任何平台）"]
    b1["AtomicU8 状态"] --> q1["全局哈希表的桶：等待队列"]
    q1 --> tp["每线程 ThreadParker（macOS：pthread mutex + cond）"]
  end
  subgraph lx["std::sync::Mutex<T>，Linux"]
    f["AtomicU32 futex 字 + 毒化标志"] --> k["内核 futex 等待队列"]
  end
  subgraph mac["std::sync::Mutex<T>，macOS"]
    ob["OnceBox 指针 + 毒化标志"] --> pm["堆上的 pthread_mutex_t（首次加锁时分配）"]
  end

std 按平台选实现

rust-src 1.99.1 的 sys/sync/mutex/mod.rs:1-27：Windows（非 win7）、Linux、Android、FreeBSD、OpenBSD、DragonFly、带原子的 wasm、Hermit 等用 futex.rs；其余 target_family = "unix"（本机 macOS 在这一支）用 pthread.rs。

• futex 版（mutex/futex.rs:7-13）：一个 u32 三种值 UNLOCKED / LOCKED / CONTENDED，与 parking_lot 的两位思路相近，区别在于等待队列放在内核里（futex_wait 以这个字的地址为 key），而 parking_lot 的队列在用户态的全局哈希表里。
• pthread 版（mutex/pthread.rs:8-28）：Mutex { pal: OnceBox<pal::Mutex> }，第一次 lock 时 Box::pin 一个 pthread_mutex_t 并初始化。所以 std Mutex::new 能是 const fn，代价是一次堆分配和每次加锁多一层指针。

同一目录下另外三种原语在 macOS 上的选择：Condvar 也是 pthread（condvar/mod.rs:18-24）；RwLock 和 Once 不用 pthread，而是 std 自己的 queue.rs（rwlock/mod.rs:18-27、once/mod.rs:27-36）。

所以本机的对比是「parking_lot 的停车场」对「macOS 的 pthread mutex」。生产服务器是 Linux，那里 std 是 futex，结论不能直接搬过去；本卷不在任何服务器上做实验，Linux 一侧只有下面的大小（编译期断言）是确定的。

std 的 Mutex<T> 本身是 { inner: sys::Mutex, poison: poison::Flag, data: UnsafeCell<T> }（sync/poison/mutex.rs:227-231），Flag 在 panic = "unwind" 时是一个 Atomic<bool>（sync/poison.rs:82-85）。

实验 E1：大小

方法（exp-parking_lot/sizes）：本机打印 size_of / align_of；Linux 没法运行，改成编译期断言：const _: () = assert!(size_of::<T>() == N);，对 aarch64-unknown-linux-gnu 和 x86_64-unknown-linux-gnu 各 cargo check 一次，两个目标都通过。反向验证：打开一个 feature，加一条故意写错的断言（把 Linux 上的 Mutex<()> 写成 macOS 的 16），cargo check 报 evaluation panicked: assertion failed，说明这些断言确实被求值了。

字节数。parking_lot 的大小与平台无关（同一组断言在两个 Linux 目标上也通过）。std 在 macOS 上的 16 字节是 OnceBox 的一个指针加一个 bool 毒化标志再按 8 对齐；Linux 上是 4 字节的 futex 字加 1 字节标志再按 4 对齐，8 字节。std 的 MutexGuard 比 parking_lot 的多出一个 poison::Guard（一个 bool，记录加锁时线程是否已在 panic，用来决定 drop 时要不要置毒化标志），对齐后多 8 字节。

Mutex<u64> 两边都是 16：数据要按 8 对齐，parking_lot 的 1 字节状态后面补了 7 字节。锁的「小」只有在数据本身很小、或者大量锁并排存放时才体现出来。

实验 E2：吞吐与单次加锁延迟

断言：无竞争时两者同量级；有竞争时谁快取决于临界区外的工作量；0.13.0 的延后唤醒在竞争下更快。

方法（exp-parking_lot/mutex-throughput，0.13.0 列在 exp-parking_lot/v013-mutex-throughput，同一份源码，都不开 deadlock_detection）：T 个线程共享一把 Mutex<u64>，每个线程做 iters 次「加锁、加一、解锁」，锁外可选忙等 out 纳秒。吞吐 = 墙钟 / 总次数（ns/op），结束时断言计数正确。尾延迟：每个线程每 64 次操作计一次单次 lock() 调用的耗时（调用前后各取一次 Instant::now()），合并所有线程的样本取分位数。

for i in 0..iters {
    let timed = sample && i % 64 == 0;
    let ns = lock.inc(timed); // timed: Instant::now(); lock(); elapsed()
    if timed { lat.push(ns); }
    busy(out_ns);
}

结果（M2 Max，8 性能核 + 4 能效核，macOS 不能绑核；22:29–22:31 连续跑完，开始时 1 / 5 分钟负载 2.66 / 2.99，结束时被实验自己的 12 个线程推到 8.70 / 4.66）。每格是 3 轮的中位数，括号里是 3 轮的范围；延迟单位 µs，p50 在 macOS 上被 Instant 的 41.7 ns 分辨率量化，只列 p99 以上：

几点读法：

• 无竞争（T=1）三者同量级，0.13.0 最快、std 最慢，差别在 1–2 ns。这时完全不走慢路径，差别只能来自快路径的指令；本页没有看反汇编，不下结论。
• T=4、T=12 且锁外没有工作时，0.12.5 最慢：12 线程时 std 的吞吐是它的 1.8 倍，0.13.0 是 2.1 倍。这是最极端的形状：12 个线程除了抢锁什么都不做。
• 锁外有 200 ns 工作时顺序反过来：0.12.5 比 std 快 1.8 倍，0.13.0 又比 0.12.5 快约 9%。
• 尾延迟不跟吞吐走：T=12、锁外 0 时 std 的吞吐高、p99 也低（7.4 µs 对 22.7 µs），但三轮里 std 各有一次 3.7–5.7 ms 的单次加锁，parking_lot 两个版本的最大值都在 0.3–0.6 ms。锁外 200 ns 时 0.12.5 的 p99 / p99.9 都比 std 低，0.13.0 更低。
• 和规划时的数字不一样：规划阶段 0.12.5 一侧开着 deadlock_detection，那时 T=4 约 19–20 ns、T=12 约 18–20 ns，比现在不开时还快；锁外 200 ns 时是 216–244 ns，比现在慢。死锁检测让每次加解锁多做一点线程局部的工作，在「锁外什么都不做」的场景里这等于给每个线程加了一段锁外工作，争用反而变轻；有真实锁外工作时它只是开销。这个解释是推测，没有单独验证。无论如何，带着这个 feature 量出来的数字不能代表默认配置。

反向验证：把延迟采样关掉（每 64 次计时一次的那两次 Instant::now() 不再执行）再跑 T=1 和 T=12：T=1 三列 5.4 / 6.8 / 5.0，T=12 三列 25.7 / 15.4 / 11.6。采样让 ns/op 高出 10%–20%，三者的先后顺序不变，所以上表的比较成立，但绝对值以不采样的为准。

0.13.0 在竞争下更快，和它「先放锁、再叫醒」的改动方向一致（延后唤醒与守卫状态），不过这组实验没有把那一处改动单独隔离出来。

小结

• std 的 Mutex 按平台选实现：Linux 等是 futex（用户态一个 u32，队列在内核），macOS 是懒分配的 pthread mutex；本机对比只代表 macOS。
• 大小：parking_lot Mutex<()> 1 字节，std 在 macOS 上 16、Linux 上 8（编译期断言核实）；Mutex<u64> 两边都是 16。
• E2（本机）：无竞争三者都在 5.7–7.5 ns；12 线程且锁外不做事时 0.12.5 最慢（29.5 ns/op，std 16.8、0.13.0 13.9）；锁外有 200 ns 工作时 0.12.5 比 std 快 1.8 倍；std 偶尔出现毫秒级的单次加锁。没有一句话的结论。
• std 有毒化，parking_lot 没有；std 的守卫因此多 8 字节。