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互斥锁与自旋锁
最底层的两种就是 [互斥锁和自旋锁],有很多高级的锁都是基于它们实现的。可以认为它们是各种锁的地基,所以我们必须清楚它们之间的区别和应用。
加锁的目的就是保证共享资源在任意时间内,只有一个线程访问,这样就可以避免多线程导致共享数据错乱的问题。
当已经有一个线程加锁后,其他线程加锁就会失败,互斥锁盒自旋锁对于加锁失败后的处理方式是不一样的:
- 互斥锁加锁失败后,线程会释放CPU,给其他线程
- 自旋锁加锁失败后,线程会忙等待,直到它拿到锁
互斥锁是一种 [独占锁],比如当线程 A 加锁成功后,此时互斥锁已经被线程 A 独占了,只要线程 A 没有释放手中的锁,线程 B 加锁就会失败,于是就会释放 CPU 让给其他线程,既然线程 B 释放掉了 CPU ,自然线程 B 加锁的代码就会被阻塞。
对于互斥锁加锁失败而阻塞的现象,是由操作系统内核实现的。当加锁失败时,内核会将线程置位睡眠状态,等到锁被释放后,内核会在合适的时机唤醒线程,当这个线程成功获取到锁后,于是就可以继续执行。如下图:
所以互斥锁加锁失败时,会从用户态陷入到内核态,让内核帮我们切换线程,虽然简化了使用锁的难度,但是存在一定的性能开销。
那这个开销成本是什么呢?会有两次线程上下文切换的成本:
- 当线程加锁失败时,内核会把线程的状态从 [运行] 状态设置为 [睡眠] 状态,然后把 CPU切换给其他线程运行;
- 接着,当锁被释放时,之前 [睡眠] 状态的线程会变为 [就绪] 状态,然后内核会在合适的时间吧CPU切换给该线程运行。
线程的上下文切换是什么?
当两个线程是属于同一个进程,因为虚拟内存时共享的,所以在切换时,虚拟内存这些资源保持不动,只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。
上下文切换的耗时有人统计过,大概在几十纳秒到几微秒之间,如果锁住的代码执行时间比较短,那可能上下文切换的时间都比锁住的代码执行时间还要长。
所以,如果能确定被锁住的代码执行时间很短,就不应该用互斥锁,而应该选用自旋锁,否则使用互斥锁。
自旋锁是通过CPU提供的 CAS 函数,在 用户态 完成加锁和解锁的操作,不会产生线程上下文切换,所以相比互斥锁来说,会快一些,开销也小一些。
一般加锁的过程,包含两个步骤:
- 第一步,查看锁的状态,如果锁的空闲的,则执行第二步
- 第二步,将锁设置为当前线程持有
CAS 函数就把这两个步骤合并成一条硬件级执行,形成原子指令,这样就保证了这两个步骤是不可分割的,要么一次性执行完两个步骤,要么两个步骤都不执行。
使用自旋锁的时候,当发生多线程竞争锁的情况,加锁失败的线程会 [忙等待] ,直到它拿到锁。这里的忙等待可以用 while 循环等待实现,不过最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令来实现 忙等待,因为可以减少循环等待的耗电量。
自旋锁是比较简单的一种锁,一直自旋,利用 CPU 周期,直到锁可用。需要注意,在单核 CPU上,需要抢占式的调度器(即不断通过时钟中断一个线程,运行其他线程)。否则,自旋锁在单CPU上无法使用,因为一个自旋的线程永远不会放弃CPU。
自旋锁开销少,在多核系统下一般不会主动产生线程切换,适合异步、协程等在用户态切换请求的编程方式,但如果被锁住的代码执行时间过长,自旋的线程会长时间占用CPU资源,所以自旋的时间和被锁住的代码执行的时间是成 正比 的关系。
自旋锁与互斥锁使用层面比较相似,但实现层面上完全不同:当加锁失败时,互斥锁用 [线程切换] 来应对,自旋锁则用 [忙等待] 来应对。
它俩是锁的最基本处理方式,更高级的锁都会选择其中一个来实现,比如读写锁既可以选择互斥锁实现,也可以基于自旋锁实现。
读写锁
读写锁从字面意思就是由 [读锁] 和 [写锁] 两部分组成,如果只读取共享资源用 [读锁] 加锁,如果需要修改共享资源则用 [写锁] 加锁。
所以,读写锁适用于能明确区分读操作和写操作的场景。
读写锁的工作原理是:
- 当 [写锁] 没有被线程持有时,多个线程能够并发地持有读锁,这大大提高了共享资源的访问效率,因为 [读锁] 是用于读取共享资源的场景,所以多个线程同时持有读锁也不会破坏共享资源的数据。
- 但是,一旦 [写锁] 被线程持有后,读线程的获取读锁的操作会被阻塞,而且其他写线程的获取写锁的操作也会被阻塞。
所以说,写锁是独占锁,因为任何时刻只能有一个线程有写锁,类似互斥锁和自旋锁,而读锁是共享锁,因为读锁可以被多个线程同时持有。
读写锁在读多写少的场景能发挥出优势。
另外,根据实现的不同,读写锁可以分为 [读优先锁] 和 [写优先锁] 。
读优先锁期望的是:读锁能被更多的线程持有,以便提高读线程的并发性,它的工作方式是:当读线程 A 先持有了读锁,写线程 B 在获取写锁的时候,会被阻塞,并且在阻塞过程中,后续来的读线程 C 仍然可以成功获取读锁,最后直到读线程 A 和 C 释放读锁后,写线程 B 才可以成功获取写锁,最后直到读线程 A 和 C 释放读锁后,写线程 B 才可以成功获取写锁。如下图:
而 [写优先锁] 是优先服务写线程,其工作方式是:当读线程 A 先持有了读锁,写线程 B 在获取写锁的时候,会被阻塞,并且在阻塞过程中,后续来的读线程 C 获取读锁时会失败,于是读线程 C 将被阻塞在获取读锁的操作,这样只要读线程 A 释放读锁后,写线程 B 就可以成功获取写锁。如下图:
读优先锁对于读线程并发性更好,但也不是没有问题。试想一下,如果一直有读线程获取读锁,那么写线程将永远获取不到写锁,这就造成了写线程 [饥饿] 的现象。
写优先锁可以保证写线程不会饿死,但是如果一直有写线程获取写锁,读线程也会被 [饿死]。
公平读写锁:用队列把获取锁的线程排队,不管是写线程还是读线程都按照先进先出的原则加锁即可,这样读线程仍然可以并发,也不会出现 [饿死] 现象。
互斥锁和自旋锁都是最基本的锁,读写锁可以根据场景来选择这两种锁其中的一个进行实现。
乐观锁和悲观锁
前面提到的互斥锁、自旋锁、都属于悲观锁。
悲观锁做事比较悲观,它认为多线程同时修改共享资源的概率比较高,于是很容易出现冲突,所以访问共享资源前,先要上锁。
相反,如果多个线程同时修改共享资源的概率比较低,就可以采用乐观锁。
乐观锁做事比较乐观,它假定冲突的概率很低,它的工作方式是:先修改完共享资源,再验证这段时间内有没有发生冲突,如果没有其他线程在修改资源,那么操作完成,如果发现有其他线程已经修改过这个资源,就放弃本次操作。
虽然重试的成本很高,但是冲突的概率足够低的话,还是可以接受的。
另外,可以发现乐观锁是没有加锁,所以它也叫无锁编程。
举一个场景例子:在线文档。
我们都知道在线文档可以同时多人编辑的,如果使用了悲观锁,那么只要有一个用户正在编辑文档,此时其他用户就无法打开相同的文档了,这用户体验当然不好了。
那实现多人同时编辑,实际上是用了乐观锁,它允许多个用户打开同一个文档进行编辑,编辑完提交之后才验证修改的内容是否有冲突。
怎么样才算发生冲突?这里举个例子,比如用户 A 先在浏览器编辑文档,之后用户 B 在浏览器也打开了相同的文档进行编辑,但是用户 B 比用户 A 提交早,这一过程用户 A 是不知道的,当 A 提交修改完的内容时,那么 A 和 B 之间并行修改的地方就会发生冲突。
服务端要怎么验证是否冲突了呢?通常方案如下:
- 由于发生冲突的概率比较低,所以先让用户编辑文档,但是浏览器在下载文档时会记录下服务端返回的文档版本号;
- 当用户提交修改时,发给服务端的请求会带上原始文档版本号,服务器收到后将它与当前版本号进行比较,如果版本号不一致则提交失败,如果版本号一致则修改成功,然后服务端版本号更新到最新的版本号。
实际上,我们常见的 SVN 和 Git 也是用了乐观锁的思想,先让用户编辑代码,然后提交的时候,通过版本号来判断是否产生了冲突,发生了冲突的地方,需要我们自己修改后,再重新提交。
乐观锁虽然去除了加锁解锁的操作,但是一旦发生冲突,重试的成本非常高,所以只有在冲突概率非常低,且加锁成本非常高的场景时,才考虑使用乐观锁。
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