背景
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C/C++語言的并發(fā)程序（Concurrent Programming）設(shè)計(jì)，一直是一個比較困難的話題。很多朋友都會嘗試使用多線程編程，但是卻很難保證自己所寫的多線程程序的正確性。多線程程序，如果涉及到對共享資源的并發(fā)讀寫，就會產(chǎn)生資源爭用（Data Race）。解決資源爭用，最直接的想法是引入鎖，對并發(fā)讀寫的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)（更高級的則包括無鎖編程—— Lock Free Programming）。但是，鎖又有很多種類，例如：自旋鎖（Spinlock）、互斥鎖（Mutex）、讀寫鎖（Read-Write-Lock）等等。這么多的鎖，每種鎖有什么特點(diǎn)？對應(yīng)哪些不同的使用場景？使用過程中需要注意哪些事項(xiàng)？各自分別有哪些不足之處？都是困擾程序員的一個個問題。
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甚至，一個最基本的問題：為什么鎖就能夠用來保護(hù)共享資源？鎖真正蘊(yùn)含的意義有哪些？我相信很多使用過各種鎖的程序員，都不一定能夠完全正確的回答出來。
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有鑒于此，本人希望將自己近10年數(shù)據(jù)庫內(nèi)核研發(fā)，所積累下的并發(fā)編程的經(jīng)驗(yàn)記錄下來，形成一個系列的文章，分享給大家。這個系列，個人打算對其命名為 #并發(fā)編程系列# ，作為此系列開篇的文章，本文將從一個簡單的并發(fā)編程的例子出發(fā)，引出鎖真正蘊(yùn)含的意義。
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一個測試用例
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并發(fā)程序處理中，面臨的一個最簡單，也是最常見的共享資源的爭用，就是針對一個全局變量進(jìn)行并發(fā)的更新和讀取。這個全局變量，可以是一個全局計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)某個事件在多線程中發(fā)生的次數(shù)；或者是一個全局遞增序列，每個線程需要獲取屬于其的唯一標(biāo)識。諸如此類，多個線程，針對一個全局變量的并發(fā)讀寫，是十分常見的。如下圖所示：
此用例中，N個線程，并發(fā)更新一個全局變量。讓我們先來看一個簡單的測試，全局變量global_count沒有任何保護(hù)，此時會發(fā)生什么？
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測試場景：500個線程，每個線程做10000次global_count++操作，主線程首先將global_count初始化為0，然后等待這500線程運(yùn)行結(jié)束。待500個線程運(yùn)行結(jié)束之后，由于每個線程都做了10000次global_count++，那么可以確定，最后的global_count取值應(yīng)該是5000000。事實(shí)是這樣嗎？根據(jù)此測試場景，撰寫測試代碼，每個線程做的都是同樣的事，代碼很簡單：
主線程等待所有500個線程結(jié)束之后，進(jìn)行判斷，若global_count不等于5000000，則打印出當(dāng)前global_count的取值。運(yùn)行結(jié)果如下：
通過上圖，可以發(fā)現(xiàn)，global_count并不是每次都等于5000000，很大的幾率，global_count要小于5000000。多線程對一個全局變量進(jìn)行++操作，并不能保證最終得到的結(jié)果的正確性。究其內(nèi)部原因，是因?yàn)?+操作并不是一個原子操作（Atomic Operation），而是對應(yīng)至少3條匯編語句，考慮如下兩個線程的 ++ 操作并發(fā)：
線程1，2，分別讀取了global_count的當(dāng)前值，分別加1后寫出。線程2的寫覆蓋了線程1的寫，最后導(dǎo)致兩次 ++ 操作，實(shí)際上卻對global_count只加了1次。
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如何解決此問題，相信大家都有很多方法，例如：將global_count聲明為原子變量（C++ 11標(biāo)準(zhǔn)支持）。但是此文，并不打算使用原子變量，而是將global_count的++操作，通過Spinlock保護(hù)起來。一個全局的Spinlock，500個線程，在++操作前，需要獲取Spinlock，然后進(jìn)行g(shù)lobal_count的++操作，完成后釋放Spinlock。對應(yīng)的每個線程代碼修改如下：
主線程，仍舊是同樣的邏輯，等待所有的500個線程執(zhí)行結(jié)束之后，判斷global_count取值是否等于5000000，如果不相等，則打印出來。此時，同樣執(zhí)行此測試程序，沒有任何一條數(shù)據(jù)打印出來，每一個循環(huán)，都滿足global_count等于5000000。通過引入了Spinlock，完美了解決上面的問題。
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為什么引入了Spinlock保護(hù)之后，多線程針對全局變量的并發(fā)讀寫所帶來的問題就解決了？此問題，恰好引入了鎖意義的剖析。
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鎖的意義
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在分析鎖的意義前，先來簡單看看Spinlock的功能：Spinlock是一把互斥鎖，同一時間，只能有一個線程持有Spinlock鎖，而所有其他的線程，處于等待Spinlock鎖。當(dāng)持有Spinlock的線程放鎖之后，所有等待獲取Spinlock的線程一起爭搶，一個Lucky的線程，搶到這把鎖，大部分Unlucky的線程，只能繼續(xù)等待下一次搶鎖的機(jī)會。
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由此來說，在spinlock鎖保護(hù)下的代碼片段，同一時間只能有一個線程（獲得Spinlock的線程）能夠執(zhí)行，而其他的線程，在獲取spinlock之前，不可進(jìn)入spinlock鎖保護(hù)下的代碼片段進(jìn)行執(zhí)行。前面的測試用例，由于spinlock保護(hù)了global_count++的代碼，因此global_count++操作，同時只能有一個線程執(zhí)行，不可能出現(xiàn)前面提到的兩線程并發(fā)修改global_count變量出現(xiàn)的問題。How Perfect?。。。ㄗⅲ涸趕pinlock加鎖之前，以及spinlock放鎖之后的代碼段，可以由多線程并發(fā)執(zhí)行。）
但是，故事到此就完了嗎？我相信對于大部分程序員來說，或者是之前的我來說，認(rèn)為故事到此就結(jié)束了。已經(jīng)成功的使用了一個Spinlock，來保護(hù)全局變量的并發(fā)讀寫，保證了并發(fā)訪問的正確性。
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但是（又是這個該死的但是），故事并未結(jié)束，這個案子也還沒有了結(jié)。有一定經(jīng)驗(yàn)的C/C++程序員，或者是曾經(jīng)看過我寫過的一個PPT：《CPU Cache and Memory Ordering——并發(fā)程序設(shè)計(jì)入門》，以及一篇博客：《C/C++ Volatile關(guān)鍵詞深度剖析》，的朋友來說，應(yīng)該都知道這個故事還有一個點(diǎn)沒有挖掘：內(nèi)存模型（Memory Model），無論是程序語言（如：C/C++，Java），或者是CPU（如：Intel X86，Power PC，ARM），都有所謂的內(nèi)存模型。
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簡單來說，內(nèi)存模型規(guī)定了一種內(nèi)存操作可見的順序。為了提高程序運(yùn)行的效率，編譯器可能會對你寫的程序進(jìn)行重寫，執(zhí)行順序調(diào)整等等，同樣，CPU也會對其執(zhí)行的匯編執(zhí)行進(jìn)行順序的調(diào)整，這就是所謂的亂序執(zhí)行。最基本的四種亂序行為，包含：LoadLoad亂序；LoadStore亂序；StoreLoad亂序；StoreStore亂序，分別對應(yīng)于讀讀亂序，讀寫亂序，寫讀亂序，寫寫亂序。關(guān)于這四種亂序行為更為詳細(xì)的介紹，可參考Preshing的博客：《Memory Reordering Caught in the Act》，《Memory Barriers Are Like Source Control Operations》，或者是《SMP Primer for Android》這篇文章。本文接下來的部分，假設(shè)讀者已經(jīng)知道了無論是編譯器，還是CPU，都會存在編譯亂序與指令執(zhí)行亂序的現(xiàn)象。
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編譯亂序與指令執(zhí)行亂序，跟本文討論的鎖的意義有何關(guān)系？可以說，不僅有關(guān)系，還有很大的關(guān)系，關(guān)系到鎖之所以能夠稱之為鎖，能夠用來保護(hù)共享資源的關(guān)鍵。
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一個簡單的問題：在存在編譯亂序與指令執(zhí)行亂序的情況下，怎么保證鎖所保護(hù)的代碼片段，不會被提前到加鎖之前，或者是放鎖之后執(zhí)行？如果編譯器將鎖保護(hù)下的代碼，通過編譯優(yōu)化，放到了加鎖之前運(yùn)行？又如果CPU在執(zhí)行指令時，將鎖保護(hù)下的匯編代碼，延遲到了放鎖之后執(zhí)行？如下圖所示：
如上所示，如果編譯器做了它不該做的優(yōu)化，或者CPU做了其不該做的亂序，那么spinlock保護(hù)下的代碼片段，同一時刻，一定只有一個線程能夠執(zhí)行的假設(shè)被打破了。此時，雖然spinlock仍舊只能有一個線程持有，但是spinlock保護(hù)下的代碼，被提到了spinlock保護(hù)之外執(zhí)行，spinlock哪怕功能再強(qiáng)大，也不能保護(hù)鎖之外的代碼，提取到spinlock鎖之外的代碼，能夠并發(fā)執(zhí)行。
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但是上面的測試說明，spinlock保護(hù)下的global_count++操作，在多線程下能夠正確執(zhí)行。也就說明，無論是編譯器，還是CPU，并沒有不合時宜的做上面的這些優(yōu)化。而分析其原因，剛好引出了鎖（Spinlock、Mutex、RWLock等）的第二層意義：Lock Acquire和Unlock Release。
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什么是Lock Acquire，Unlock Release又意味著什么？在此之前，需要先看看什么是Acquire和Release。Acquire和Release語義（Semantics）是程序語言和CPU內(nèi)存模型（Memory Model）中的一個概念。以下，是截取自Preshing博客《Acquire and Release Semantics》一文中，對Acquire與Release Semantics的定義：
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Acquire semantics is a property which can only apply to operations which read from shared memory, whether they are read-modify-write operations or plain loads. The operation is then considered a read-acquire. Acquire semantics
prevent memory reordering of the read-acquire with any read or write operation which follows it in program order. （注：Acquire語義是一個作用于內(nèi)存讀操作上的特性，此內(nèi)存讀操作即被視為read-acquire。Acquire語義禁止read-acquire之后所有的內(nèi)存讀寫操作，被提前到read-acquire操作之前進(jìn)行。）
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Release semantics is a property which can only apply to operations which write to shared memory, whether they are read-modify-write operations or plain stores. The operation is then considered a write-release. Release semantics
prevent memory reordering of the write-release with any read or write operation which precedes it in program order.（注：Release語義作用于內(nèi)存寫操作之上的特性，此內(nèi)存寫操作即被視為write-release。Release語義禁止write-release之前所有的內(nèi)存讀寫操作，被推遲到write-release操作之后進(jìn)行。）
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從Acquire與Release語義的定義可以看出，兩個語義對編譯器優(yōu)化、CPU亂序分別做了一個限制條件：
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Acquire語義限制了編譯器優(yōu)化、CPU亂序，不能將含有Acquire語義的操作之后的代碼，提到含有Acquire語義的操作代碼之前執(zhí)行；
Release語義限制了編譯器優(yōu)化、CPU亂序，不能將含有Release語義的操作之前的代碼，推遲到含有Release語義的操作代碼之后執(zhí)行；
有了明確的Acquire和Release語義的定義，再回過頭來看前面提到的鎖的第二層含義：Lock Acquire和Unlock Release。加鎖操作自帶Acquire語義，解鎖操作自帶Release語義。將加鎖、解鎖的兩個語義結(jié)合起來，就構(gòu)成了以下的完整的鎖的含義圖：
spinlock，只有帶有了Acquire和Release語義，才算是一個真正完整可用的鎖——Acquire與Release語義間，構(gòu)成了一個臨界區(qū)。獲取spinlock后的線程，可以大膽的運(yùn)行全局變量的讀寫，而不必?fù)?dān)心其他并發(fā)線程對于此變量的并發(fā)訪問。
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好消息是，pthread lib所提供的spinlock、mutex，其加鎖操作都自帶了acquire語義，解鎖操作都自帶了release語義。因此，哪怕我們在使用的過程中，不知道有這兩個語義的存在，也能夠正確的使用這些鎖。但是，讀者需要實(shí)現(xiàn)自己的spinlock、mutex（注：實(shí)際情況下，確實(shí)有這個必要，數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)如Oracle/PostgreSQL/InnoDB，都有自己實(shí)現(xiàn)的Spinlock、Mutex等），那么對于鎖的了解，到這個層次，是必不可少的。
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總結(jié)
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本文，作為 #并發(fā)編程系列# 的開篇，首先跟大家分析了鎖（Spinlock、Mutex、RWLock等）所代表的真正意義。首先，這些鎖要么保證同一時刻只能由一個線程持有（如：Spinlock、Mutex），要么保證同一時刻只能有一個寫鎖（如：RWLock）；其次，鎖的加鎖操作帶有Acquire語義，解鎖操作帶有Release語義。通過這兩個條件，保證了加鎖/解鎖之間，構(gòu)成了一個完整的臨界區(qū)，全局資源的更新操作，可以在臨界區(qū)內(nèi)完成，而不必?fù)?dān)心并發(fā)讀寫沖突。而這正是并發(fā)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：構(gòu)建一個Data-Race-Free的多線程系統(tǒng)。
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