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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。

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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。

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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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