互斥鎖與自旋鎖

最底層的兩種就是 [互斥鎖和自旋鎖]，有很多高級的鎖都是基于它們實現(xiàn)的?？梢哉J(rèn)為它們是各種鎖的地基，所以我們必須清楚它們之間的區(qū)別和應(yīng)用。

加鎖的目的就是保證共享資源在任意時間內(nèi)，只有一個線程訪問，這樣就可以避免多線程導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)錯亂的問題。

當(dāng)已經(jīng)有一個線程加鎖后，其他線程加鎖就會失敗，互斥鎖盒自旋鎖對于加鎖失敗后的處理方式是不一樣的：

• 互斥鎖加鎖失敗后，線程會釋放CPU，給其他線程
• 自旋鎖加鎖失敗后，線程會忙等待，直到它拿到鎖

互斥鎖是一種 [獨占鎖]，比如當(dāng)線程 A 加鎖成功后，此時互斥鎖已經(jīng)被線程 A 獨占了，只要線程 A 沒有釋放手中的鎖，線程 B 加鎖就會失敗，于是就會釋放 CPU 讓給其他線程，既然線程 B 釋放掉了 CPU ，自然線程 B 加鎖的代碼就會被阻塞。

對于互斥鎖加鎖失敗而阻塞的現(xiàn)象，是由操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)的。當(dāng)加鎖失敗時，內(nèi)核會將線程置位睡眠狀態(tài)，等到鎖被釋放后，內(nèi)核會在合適的時機(jī)喚醒線程，當(dāng)這個線程成功獲取到鎖后，于是就可以繼續(xù)執(zhí)行。如下圖：

?所以互斥鎖加鎖失敗時，會從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài)，讓內(nèi)核幫我們切換線程，雖然簡化了使用鎖的難度，但是存在一定的性能開銷。

那這個開銷成本是什么呢？會有兩次線程上下文切換的成本：

• 當(dāng)線程加鎖失敗時，內(nèi)核會把線程的狀態(tài)從 [運行] 狀態(tài)設(shè)置為 [睡眠] 狀態(tài)，然后把 CPU切換給其他線程運行；
• 接著，當(dāng)鎖被釋放時，之前 [睡眠] 狀態(tài)的線程會變?yōu)?[就緒] 狀態(tài)，然后內(nèi)核會在合適的時間吧CPU切換給該線程運行。

線程的上下文切換是什么？

當(dāng)兩個線程是屬于同一個進(jìn)程，因為虛擬內(nèi)存時共享的，所以在切換時，虛擬內(nèi)存這些資源保持不動，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)。

上下文切換的耗時有人統(tǒng)計過，大概在幾十納秒到幾微秒之間，如果鎖住的代碼執(zhí)行時間比較短，那可能上下文切換的時間都比鎖住的代碼執(zhí)行時間還要長。

所以，如果能確定被鎖住的代碼執(zhí)行時間很短，就不應(yīng)該用互斥鎖，而應(yīng)該選用自旋鎖，否則使用互斥鎖。

自旋鎖是通過CPU提供的 CAS 函數(shù)，在 用戶態(tài) 完成加鎖和解鎖的操作，不會產(chǎn)生線程上下文切換，所以相比互斥鎖來說，會快一些，開銷也小一些。

一般加鎖的過程，包含兩個步驟：

• 第一步，查看鎖的狀態(tài)，如果鎖的空閑的，則執(zhí)行第二步
• 第二步，將鎖設(shè)置為當(dāng)前線程持有

?CAS 函數(shù)就把這兩個步驟合并成一條硬件級執(zhí)行，形成原子指令，這樣就保證了這兩個步驟是不可分割的，要么一次性執(zhí)行完兩個步驟，要么兩個步驟都不執(zhí)行。

使用自旋鎖的時候，當(dāng)發(fā)生多線程競爭鎖的情況，加鎖失敗的線程會 [忙等待] ，直到它拿到鎖。這里的忙等待可以用 while 循環(huán)等待實現(xiàn)，不過最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令來實現(xiàn) 忙等待，因為可以減少循環(huán)等待的耗電量。

自旋鎖是比較簡單的一種鎖，一直自旋，利用 CPU 周期，直到鎖可用。需要注意，在單核 CPU上，需要搶占式的調(diào)度器（即不斷通過時鐘中斷一個線程，運行其他線程）。否則，自旋鎖在單CPU上無法使用，因為一個自旋的線程永遠(yuǎn)不會放棄CPU。

自旋鎖開銷少，在多核系統(tǒng)下一般不會主動產(chǎn)生線程切換，適合異步、協(xié)程等在用戶態(tài)切換請求的編程方式，但如果被鎖住的代碼執(zhí)行時間過長，自旋的線程會長時間占用CPU資源，所以自旋的時間和被鎖住的代碼執(zhí)行的時間是成 正比 的關(guān)系。

自旋鎖與互斥鎖使用層面比較相似，但實現(xiàn)層面上完全不同：當(dāng)加鎖失敗時，互斥鎖用 [線程切換] 來應(yīng)對，自旋鎖則用 [忙等待] 來應(yīng)對。

它倆是鎖的最基本處理方式，更高級的鎖都會選擇其中一個來實現(xiàn)，比如讀寫鎖既可以選擇互斥鎖實現(xiàn)，也可以基于自旋鎖實現(xiàn)。

讀寫鎖

讀寫鎖從字面意思就是由 [讀鎖] 和 [寫鎖] 兩部分組成，如果只讀取共享資源用 [讀鎖] 加鎖，如果需要修改共享資源則用 [寫鎖] 加鎖。

所以,讀寫鎖適用于能明確區(qū)分讀操作和寫操作的場景。

讀寫鎖的工作原理是：

• 當(dāng) [寫鎖] 沒有被線程持有時，多個線程能夠并發(fā)地持有讀鎖，這大大提高了共享資源的訪問效率，因為 [讀鎖] 是用于讀取共享資源的場景，所以多個線程同時持有讀鎖也不會破壞共享資源的數(shù)據(jù)。
• 但是，一旦 [寫鎖] 被線程持有后，讀線程的獲取讀鎖的操作會被阻塞，而且其他寫線程的獲取寫鎖的操作也會被阻塞。

所以說，寫鎖是獨占鎖，因為任何時刻只能有一個線程有寫鎖，類似互斥鎖和自旋鎖，而讀鎖是共享鎖，因為讀鎖可以被多個線程同時持有。

讀寫鎖在讀多寫少的場景能發(fā)揮出優(yōu)勢。

另外，根據(jù)實現(xiàn)的不同，讀寫鎖可以分為 [讀優(yōu)先鎖] 和 [寫優(yōu)先鎖] 。

讀優(yōu)先鎖期望的是：讀鎖能被更多的線程持有，以便提高讀線程的并發(fā)性，它的工作方式是：當(dāng)讀線程 A 先持有了讀鎖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，并且在阻塞過程中，后續(xù)來的讀線程 C 仍然可以成功獲取讀鎖，最后直到讀線程 A 和 C 釋放讀鎖后，寫線程 B 才可以成功獲取寫鎖，最后直到讀線程 A 和 C 釋放讀鎖后，寫線程 B 才可以成功獲取寫鎖。如下圖：

?而 [寫優(yōu)先鎖] 是優(yōu)先服務(wù)寫線程，其工作方式是：當(dāng)讀線程 A 先持有了讀鎖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，并且在阻塞過程中，后續(xù)來的讀線程 C 獲取讀鎖時會失敗，于是讀線程 C 將被阻塞在獲取讀鎖的操作，這樣只要讀線程 A 釋放讀鎖后，寫線程 B 就可以成功獲取寫鎖。如下圖：

讀優(yōu)先鎖對于讀線程并發(fā)性更好，但也不是沒有問題。試想一下，如果一直有讀線程獲取讀鎖，那么寫線程將永遠(yuǎn)獲取不到寫鎖，這就造成了寫線程 [饑餓] 的現(xiàn)象。

寫優(yōu)先鎖可以保證寫線程不會餓死，但是如果一直有寫線程獲取寫鎖，讀線程也會被 [餓死]。

公平讀寫鎖：用隊列把獲取鎖的線程排隊，不管是寫線程還是讀線程都按照先進(jìn)先出的原則加鎖即可，這樣讀線程仍然可以并發(fā)，也不會出現(xiàn) [餓死] 現(xiàn)象。

互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖，讀寫鎖可以根據(jù)場景來選擇這兩種鎖其中的一個進(jìn)行實現(xiàn)。

樂觀鎖和悲觀鎖

前面提到的互斥鎖、自旋鎖、都屬于悲觀鎖。

悲觀鎖做事比較悲觀，它認(rèn)為多線程同時修改共享資源的概率比較高，于是很容易出現(xiàn)沖突，所以訪問共享資源前，先要上鎖。

相反，如果多個線程同時修改共享資源的概率比較低，就可以采用樂觀鎖。

樂觀鎖做事比較樂觀，它假定沖突的概率很低，它的工作方式是：先修改完共享資源，再驗證這段時間內(nèi)有沒有發(fā)生沖突，如果沒有其他線程在修改資源，那么操作完成，如果發(fā)現(xiàn)有其他線程已經(jīng)修改過這個資源，就放棄本次操作。

雖然重試的成本很高，但是沖突的概率足夠低的話，還是可以接受的。

另外，可以發(fā)現(xiàn)樂觀鎖是沒有加鎖，所以它也叫無鎖編程。

舉一個場景例子：在線文檔。

我們都知道在線文檔可以同時多人編輯的，如果使用了悲觀鎖，那么只要有一個用戶正在編輯文檔，此時其他用戶就無法打開相同的文檔了，這用戶體驗當(dāng)然不好了。

那實現(xiàn)多人同時編輯，實際上是用了樂觀鎖，它允許多個用戶打開同一個文檔進(jìn)行編輯，編輯完提交之后才驗證修改的內(nèi)容是否有沖突。

怎么樣才算發(fā)生沖突？這里舉個例子，比如用戶 A 先在瀏覽器編輯文檔，之后用戶 B 在瀏覽器也打開了相同的文檔進(jìn)行編輯，但是用戶 B 比用戶 A 提交早，這一過程用戶 A 是不知道的，當(dāng) A 提交修改完的內(nèi)容時，那么 A 和 B 之間并行修改的地方就會發(fā)生沖突。

服務(wù)端要怎么驗證是否沖突了呢？通常方案如下：

• 由于發(fā)生沖突的概率比較低，所以先讓用戶編輯文檔，但是瀏覽器在下載文檔時會記錄下服務(wù)端返回的文檔版本號；
• 當(dāng)用戶提交修改時，發(fā)給服務(wù)端的請求會帶上原始文檔版本號，服務(wù)器收到后將它與當(dāng)前版本號進(jìn)行比較，如果版本號不一致則提交失敗，如果版本號一致則修改成功，然后服務(wù)端版本號更新到最新的版本號。

實際上，我們常見的 SVN 和 Git 也是用了樂觀鎖的思想，先讓用戶編輯代碼，然后提交的時候，通過版本號來判斷是否產(chǎn)生了沖突，發(fā)生了沖突的地方，需要我們自己修改后，再重新提交。

樂觀鎖雖然去除了加鎖解鎖的操作，但是一旦發(fā)生沖突，重試的成本非常高，所以只有在沖突概率非常低，且加鎖成本非常高的場景時，才考慮使用樂觀鎖。文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-665320.html

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