面試官：你說(shuō)說(shuō)互斥鎖、自旋鎖、讀寫(xiě)鎖、悲觀鎖、樂(lè)觀鎖的應(yīng)用場(chǎng)景

時(shí)間：2020-09-16 14:29:48

關(guān)鍵字： C語(yǔ)言編程

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[導(dǎo)讀]生活中用到的鎖，用途都比較簡(jiǎn)單粗暴，上鎖基本是為了防止外人進(jìn)來(lái)、電動(dòng)車(chē)被偷等。但生活中也不是沒(méi)有BUG的，比如加鎖的電動(dòng)車(chē)在「廣西 - 竊·格瓦拉」面前，鎖就是形同虛設(shè)。那在編程世界里，「鎖」更是五花八門(mén)，多種多樣，每種鎖的加鎖開(kāi)銷(xiāo)以及應(yīng)用場(chǎng)景也可能會(huì)不同。

前言

生活中用到的鎖，用途都比較簡(jiǎn)單粗暴，上鎖基本是為了防止外人進(jìn)來(lái)、電動(dòng)車(chē)被偷等等。

但生活中也不是沒(méi)有 BUG 的，比如加鎖的電動(dòng)車(chē)在「廣西 - 竊·格瓦拉」面前，鎖就是形同虛設(shè)，只要他愿意，他就可以輕輕松松地把你電動(dòng)車(chē)給「順走」，不然打工怎么會(huì)是他這輩子不可能的事情呢？牛逼之人，必有牛逼之處。

那在編程世界里，「鎖」更是五花八門(mén)，多種多樣，每種鎖的加鎖開(kāi)銷(xiāo)以及應(yīng)用場(chǎng)景也可能會(huì)不同。

如何用好鎖，也是程序員的基本素養(yǎng)之一了。

高并發(fā)的場(chǎng)景下，如果選對(duì)了合適的鎖，則會(huì)大大提高系統(tǒng)的性能，否則性能會(huì)降低。

所以，知道各種鎖的開(kāi)銷(xiāo)，以及應(yīng)用場(chǎng)景是很有必要的。

接下來(lái)，就談一談常見(jiàn)的這幾種鎖：

正文

多線程訪問(wèn)共享資源的時(shí)候，避免不了資源競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的問(wèn)題，所以我們通常為了解決這一問(wèn)題，都會(huì)在訪問(wèn)共享資源之前加鎖。

最常用的就是互斥鎖，當(dāng)然還有很多種不同的鎖，比如自旋鎖、讀寫(xiě)鎖、樂(lè)觀鎖等，不同種類(lèi)的鎖自然適用于不同的場(chǎng)景。

如果選擇了錯(cuò)誤的鎖，那么在一些高并發(fā)的場(chǎng)景下，可能會(huì)降低系統(tǒng)的性能，這樣用戶體驗(yàn)就會(huì)非常差了。

所以，為了選擇合適的鎖，我們不僅需要清楚知道加鎖的成本開(kāi)銷(xiāo)有多大，還需要分析業(yè)務(wù)場(chǎng)景中訪問(wèn)的共享資源的方式，再來(lái)還要考慮并發(fā)訪問(wèn)共享資源時(shí)的沖突概率。

對(duì)癥下藥，才能減少鎖對(duì)高并發(fā)性能的影響。

那接下來(lái)，針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，談一談「互斥鎖、自旋鎖、讀寫(xiě)鎖、樂(lè)觀鎖、悲觀鎖」的選擇和使用。

互斥鎖與自旋鎖：誰(shuí)更輕松自如？

最底層的兩種就是會(huì)「互斥鎖和自旋鎖」，有很多高級(jí)的鎖都是基于它們實(shí)現(xiàn)的，你可以認(rèn)為它們是各種鎖的地基，所以我們必須清楚它倆之間的區(qū)別和應(yīng)用。

加鎖的目的就是保證共享資源在任意時(shí)間里，只有一個(gè)線程訪問(wèn)，這樣就可以避免多線程導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的問(wèn)題。

當(dāng)已經(jīng)有一個(gè)線程加鎖后，其他線程加鎖則就會(huì)失敗，互斥鎖和自旋鎖對(duì)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(huì)釋放 CPU ，給其他線程；
自旋鎖加鎖失敗后，線程會(huì)忙等待，直到它拿到鎖；

互斥鎖是一種「獨(dú)占鎖」，比如當(dāng)線程 A 加鎖成功后，此時(shí)互斥鎖已經(jīng)被線程 A 獨(dú)占了，只要線程 A 沒(méi)有釋放手中的鎖，線程 B 加鎖就會(huì)失敗，于是就會(huì)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(huì)被阻塞。

對(duì)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(shí)現(xiàn)的。當(dāng)加鎖失敗時(shí)，內(nèi)核會(huì)將線程置為「睡眠」?fàn)顟B(tài)，等到鎖被釋放后，內(nèi)核會(huì)在合適的時(shí)機(jī)喚醒線程，當(dāng)這個(gè)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(shí)，會(huì)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(jiǎn)化了使用鎖的難度，但是存在一定的性能開(kāi)銷(xiāo)成本。

那這個(gè)開(kāi)銷(xiāo)成本是什么呢？會(huì)有兩次線程上下文切換的成本：

當(dāng)線程加鎖失敗時(shí)，內(nèi)核會(huì)把線程的狀態(tài)從「運(yùn)行」?fàn)顟B(tài)設(shè)置為「睡眠」?fàn)顟B(tài)，然后把 CPU 切換給其他線程運(yùn)行；
接著，當(dāng)鎖被釋放時(shí)，之前「睡眠」?fàn)顟B(tài)的線程會(huì)變?yōu)椤妇途w」?fàn)顟B(tài)，然后內(nèi)核會(huì)在合適的時(shí)間，把 CPU 切換給該線程運(yùn)行。

線程的上下文切換的是什么？當(dāng)兩個(gè)線程是屬于同一個(gè)進(jìn)程，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的，所以在切換時(shí)，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動(dòng)，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)。

上下切換的耗時(shí)有大佬統(tǒng)計(jì)過(guò)，大概在幾十納秒到幾微秒之間，如果你鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間比較短，那可能上下文切換的時(shí)間都比你鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間還要長(zhǎng)。

所以，如果你能確定被鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)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(guò) CPU 提供的 CAS 函數(shù)（Compare And Swap），在「用戶態(tài)」完成加鎖和解鎖操作，不會(huì)主動(dòng)產(chǎn)生線程上下文切換，所以相比互斥鎖來(lái)說(shuō)，會(huì)快一些，開(kāi)銷(xiāo)也小一些。

一般加鎖的過(guò)程，包含兩個(gè)步驟：

第一步，查看鎖的狀態(tài)，如果鎖是空閑的，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(gè)步驟合并成一條硬件級(jí)指令，形成原子指令，這樣就保證了這兩個(gè)步驟是不可分割的，要么一次性執(zhí)行完兩個(gè)步驟，要么兩個(gè)步驟都不執(zhí)行。

使用自旋鎖的時(shí)候，當(dāng)發(fā)生多線程競(jìng)爭(zhēng)鎖的情況，加鎖失敗的線程會(huì)「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(shí)現(xiàn)，不過(guò)最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)「忙等待」，因?yàn)榭梢詼p少循環(huán)等待時(shí)的耗電量。

自旋鎖是最比較簡(jiǎn)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(guò)時(shí)鐘中斷一個(gè)線程，運(yùn)行其他線程）。否則，自旋鎖在單 CPU 上無(wú)法使用，因?yàn)橐粋€(gè)自旋的線程永遠(yuǎn)不會(huì)放棄 CPU。

自旋鎖開(kāi)銷(xiāo)少，在多核系統(tǒng)下一般不會(huì)主動(dòng)產(chǎn)生線程切換，適合異步、協(xié)程等在用戶態(tài)切換請(qǐng)求的編程方式，但如果被鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，自旋的線程會(huì)長(zhǎng)時(shí)間占用 CPU 資源，所以自旋的時(shí)間和被鎖住的代碼執(zhí)行的時(shí)間是成「正比」的關(guān)系，我們需要清楚的知道這一點(diǎn)。

自旋鎖與互斥鎖使用層面比較相似，但實(shí)現(xiàn)層面上完全不同：當(dāng)加鎖失敗時(shí)，互斥鎖用「線程切換」來(lái)應(yīng)對(duì)，自旋鎖則用「忙等待」來(lái)應(yīng)對(duì)。

它倆是鎖的最基本處理方式，更高級(jí)的鎖都會(huì)選擇其中一個(gè)來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如讀寫(xiě)鎖既可以選擇互斥鎖實(shí)現(xiàn)，也可以基于自旋鎖實(shí)現(xiàn)。

讀寫(xiě)鎖：讀和寫(xiě)還有優(yōu)先級(jí)區(qū)分？

讀寫(xiě)鎖從字面意思我們也可以知道，它由「讀鎖」和「寫(xiě)鎖」兩部分構(gòu)成，如果只讀取共享資源用「讀鎖」加鎖，如果要修改共享資源則用「寫(xiě)鎖」加鎖。

所以，讀寫(xiě)鎖適用于能明確區(qū)分讀操作和寫(xiě)操作的場(chǎng)景。

讀寫(xiě)鎖的工作原理是：

當(dāng)「寫(xiě)鎖」沒(méi)有被線程持有時(shí)，多個(gè)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(wèn)效率，因?yàn)椤缸x鎖」是用于讀取共享資源的場(chǎng)景，所以多個(gè)線程同時(shí)持有讀鎖也不會(huì)破壞共享資源的數(shù)據(jù)。
但是，一旦「寫(xiě)鎖」被線程持有后，讀線程的獲取讀鎖的操作會(huì)被阻塞，而且其他寫(xiě)線程的獲取寫(xiě)鎖的操作也會(huì)被阻塞。

所以說(shuō)，寫(xiě)鎖是獨(dú)占鎖，因?yàn)槿魏螘r(shí)刻只能有一個(gè)線程持有寫(xiě)鎖，類(lèi)似互斥鎖和自旋鎖，而讀鎖是共享鎖，因?yàn)樽x鎖可以被多個(gè)線程同時(shí)持有。

知道了讀寫(xiě)鎖的工作原理后，我們可以發(fā)現(xiàn)，讀寫(xiě)鎖在讀多寫(xiě)少的場(chǎng)景，能發(fā)揮出優(yōu)勢(shì)。

另外，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的不同，讀寫(xiě)鎖可以分為「讀優(yōu)先鎖」和「寫(xiě)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(xiě)線程 B 在獲取寫(xiě)鎖的時(shí)候，會(huì)被阻塞，并且在阻塞過(guò)程中，后續(xù)來(lái)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(xiě)線程 B 才可以成功獲取讀鎖。如下圖：

而寫(xiě)優(yōu)先鎖是優(yōu)先服務(wù)寫(xiě)線程，其工作方式是：當(dāng)讀線程 A 先持有了讀鎖，寫(xiě)線程 B 在獲取寫(xiě)鎖的時(shí)候，會(huì)被阻塞，并且在阻塞過(guò)程中，后續(xù)來(lái)的讀線程 C 獲取讀鎖時(shí)會(huì)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(xiě)線程 B 就可以成功獲取讀鎖。如下圖：

讀優(yōu)先鎖對(duì)于讀線程并發(fā)性更好，但也不是沒(méi)有問(wèn)題。我們?cè)囅胍幌?，如果一直有讀線程獲取讀鎖，那么寫(xiě)線程將永遠(yuǎn)獲取不到寫(xiě)鎖，這就造成了寫(xiě)線程「饑餓」的現(xiàn)象。

寫(xiě)優(yōu)先鎖可以保證寫(xiě)線程不會(huì)餓死，但是如果一直有寫(xiě)線程獲取寫(xiě)鎖，讀線程也會(huì)被「餓死」。

既然不管優(yōu)先讀鎖還是寫(xiě)鎖，對(duì)方可能會(huì)出現(xiàn)餓死問(wèn)題，那么我們就不偏袒任何一方，搞個(gè)「公平讀寫(xiě)鎖」。

公平讀寫(xiě)鎖比較簡(jiǎn)單的一種方式是：用隊(duì)列把獲取鎖的線程排隊(duì)，不管是寫(xiě)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(huì)出現(xiàn)「饑餓」的現(xiàn)象。

互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖，讀寫(xiě)鎖可以根據(jù)場(chǎng)景來(lái)選擇這兩種鎖其中的一個(gè)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

樂(lè)觀鎖與悲觀鎖：做事的心態(tài)有何不同？

前面提到的互斥鎖、自旋鎖、讀寫(xiě)鎖，都是屬于悲觀鎖。

悲觀鎖做事比較悲觀，它認(rèn)為多線程同時(shí)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(wèn)共享資源前，先要上鎖。

那相反的，如果多線程同時(shí)修改共享資源的概率比較低，就可以采用樂(lè)觀鎖。

樂(lè)觀鎖做事比較樂(lè)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(yàn)證這段時(shí)間內(nèi)有沒(méi)有發(fā)生沖突，如果沒(méi)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(guò)這個(gè)資源，就放棄本次操作。

放棄后如何重試，這跟業(yè)務(wù)場(chǎng)景息息相關(guān)，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。

可見(jiàn)，樂(lè)觀鎖的心態(tài)是，不管三七二十一，先改了資源再說(shuō)。另外，你會(huì)發(fā)現(xiàn)樂(lè)觀鎖全程并沒(méi)有加鎖，所以它也叫無(wú)鎖編程。

這里舉一個(gè)場(chǎng)景例子：在線文檔。

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

那實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)編輯，實(shí)際上是用了樂(lè)觀鎖，它允許多個(gè)用戶打開(kāi)同一個(gè)文檔進(jìn)行編輯，編輯完提交之后才驗(yàn)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(gè)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(kāi)了相同的文檔進(jìn)行編輯，但是用戶 B 比用戶 A 提交改動(dòng)，這一過(guò)程用戶 A 是不知道的，當(dāng) A 提交修改完的內(nèi)容時(shí)，那么 A 和 B 之間并行修改的地方就會(huì)發(fā)生沖突。

服務(wù)端要怎么驗(yàn)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(shí)會(huì)記錄下服務(wù)端返回的文檔版本號(hào)；
當(dāng)用戶提交修改時(shí)，發(fā)給服務(wù)端的請(qǐng)求會(huì)帶上原始文檔版本號(hào)，服務(wù)器收到后將它與當(dāng)前版本號(hào)進(jìn)行比較，如果版本號(hào)一致則修改成功，否則提交失敗。

實(shí)際上，我們常見(jiàn)的 SVN 和 Git 也是用了樂(lè)觀鎖的思想，先讓用戶編輯代碼，然后提交的時(shí)候，通過(guò)版本號(hào)來(lái)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(lè)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(chǎng)景時(shí)，才考慮使用樂(lè)觀鎖。

總結(jié)

開(kāi)發(fā)過(guò)程中，最常見(jiàn)的就是互斥鎖的了，互斥鎖加鎖失敗時(shí)，會(huì)用「線程切換」來(lái)應(yīng)對(duì)，當(dāng)加鎖失敗的線程再次加鎖成功后的這一過(guò)程，會(huì)有兩次線程上下文切換的成本，性能損耗比較大。

如果我們明確知道被鎖住的代碼的執(zhí)行時(shí)間很短，那我們應(yīng)該選擇開(kāi)銷(xiāo)比較小的自旋鎖，因?yàn)樽孕i加鎖失敗時(shí)，并不會(huì)主動(dòng)產(chǎn)生線程切換，而是一直忙等待，直到獲取到鎖，那么如果被鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間很短，那這個(gè)忙等待的時(shí)間相對(duì)應(yīng)也很短。

如果能區(qū)分讀操作和寫(xiě)操作的場(chǎng)景，那讀寫(xiě)鎖就更合適了，它允許多個(gè)讀線程可以同時(shí)持有讀鎖，提高了讀的并發(fā)性。根據(jù)偏袒讀方還是寫(xiě)方，可以分為讀優(yōu)先鎖和寫(xiě)優(yōu)先鎖，讀優(yōu)先鎖并發(fā)性很強(qiáng)，但是寫(xiě)線程會(huì)被餓死，而寫(xiě)優(yōu)先鎖會(huì)優(yōu)先服務(wù)寫(xiě)線程，讀線程也可能會(huì)被餓死，那為了避免饑餓的問(wèn)題，于是就有了公平讀寫(xiě)鎖，它是用隊(duì)列把請(qǐng)求鎖的線程排隊(duì)，并保證先入先出的原則來(lái)對(duì)線程加鎖，這樣便保證了某種線程不會(huì)被餓死，通用性也更好點(diǎn)。

互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖，讀寫(xiě)鎖可以根據(jù)場(chǎng)景來(lái)選擇這兩種鎖其中的一個(gè)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

另外，互斥鎖、自旋鎖、讀寫(xiě)鎖都屬于悲觀鎖，悲觀鎖認(rèn)為并發(fā)訪問(wèn)共享資源時(shí)，沖突概率可能非常高，所以在訪問(wèn)共享資源前，都需要先加鎖。

相反的，如果并發(fā)訪問(wèn)共享資源時(shí)，沖突概率非常低的話，就可以使用樂(lè)觀鎖，它的工作方式是，在訪問(wèn)共享資源時(shí)，不用先加鎖，修改完共享資源后，再驗(yàn)證這段時(shí)間內(nèi)有沒(méi)有發(fā)生沖突，如果沒(méi)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(guò)這個(gè)資源，就放棄本次操作。

但是，一旦沖突概率上升，就不適合使用樂(lè)觀鎖了，因?yàn)樗鉀Q沖突的重試成本非常高。

不管使用的哪種鎖，我們的加鎖的代碼范圍應(yīng)該盡可能的小，也就是加鎖的粒度要小，這樣執(zhí)行速度會(huì)比較快。再來(lái)，使用上了合適的鎖，就會(huì)快上加快了。

絮叨

這周末忙里偷閑了下，看了三部電影，簡(jiǎn)單說(shuō)一下感受。

首先看了「利刃出鞘」，這部電影是懸疑類(lèi)型，也是豆瓣高分電影，電影雖然沒(méi)有什么大場(chǎng)面，但是單純靠縝密的劇情鋪設(shè)，全程無(wú)尿點(diǎn)，結(jié)尾也各種翻轉(zhuǎn)，如果喜歡懸疑類(lèi)電影朋友，不妨抽個(gè)時(shí)間看看。

再來(lái)，看了「花木蘭」，這電影我特喵無(wú)法可說(shuō)，爛片中的戰(zhàn)斗雞，演員都是中國(guó)人卻全在說(shuō)英文（導(dǎo)演是美國(guó)迪士尼的），這種感覺(jué)就很奇怪很別扭，好比你看西游記、水滸傳英文版那樣的別扭。別扭也就算了，關(guān)鍵劇情平淡無(wú)奇，各種無(wú)厘頭的地方，反正看完之后，我非常后悔把我生命中非常珍貴的 2 個(gè)小時(shí)獻(xiàn)給了它，如果能重來(lái)，我選擇用這 2 小時(shí)睡覺(jué)。

最后，當(dāng)然看了「信條」，諾蘭用巨資拍攝出來(lái)的電影，花錢(qián)買(mǎi)飛機(jī)來(lái)撞，畫(huà)面非常震撼，可以說(shuō)非常有誠(chéng)意了。諾蘭鐘愛(ài)時(shí)間的概念，這次則以時(shí)間倒流方式來(lái)呈現(xiàn)，非常的燒腦，反正我看完后腦袋懵懵的，我就是要這種感覺(jué)，嘻嘻。

大家好，我是小林，一個(gè)專(zhuān)為大家圖解的工具人，如果覺(jué)得文章對(duì)你有幫助，歡迎分享給你的朋友，我們下次見(jiàn)！