編程中常見的幾種鎖

前言

生活中用到的鎖，用途都比較簡單粗暴，上鎖基本是為了防止外人進來、電動車被偷等等。

但生活中也不是沒有 BUG 的，比如加鎖的電動車在「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車給「順走」，不然打工怎么會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，多種多樣，每種鎖的加鎖開銷以及應(yīng)用場景也可能會不同。

如何用好鎖，也是程序員的基本素養(yǎng)之一了。

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

所以，知道各種鎖的開銷，以及應(yīng)用場景是很有必要的。

接下來，就談一談常見的這幾種鎖：

正文

多線程訪問共享資源的時候，避免不了資源競爭而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯亂的問題，所以我們通常為了解決這一問題，都會在訪問共享資源之前加鎖。

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、讀寫鎖、樂觀鎖等，不同種類的鎖自然適用于不同的場景。

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

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銷有多大，還需要分析業(yè)務(wù)場景中訪問的共享資源的方式，再來還要考慮并發(fā)訪問共享資源時的沖突概率。

對癥下藥，才能減少鎖對高并發(fā)性能的影響。

那接下來，針對不同的應(yīng)用場景，談一談「互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖、樂觀鎖、悲觀鎖」的選擇和使用。

互斥鎖與自旋鎖：誰更輕松自如？

最底層的兩種就是會「互斥鎖和自旋鎖」，有很多高級的鎖都是基于它們實現(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間里，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，其他線程加鎖則就會失敗，互斥鎖和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)核會將線程置為「睡眠」?fàn)顟B(tài)，等到鎖被釋放后，內(nèi)核會在合適的時機喚醒線程，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成本。

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」?fàn)顟B(tài)設(shè)置為「睡眠」?fàn)顟B(tài)，然后把 CPU 切換給其他線程運行；

接著，當(dāng)鎖被釋放時，之前「睡眠」?fàn)顟B(tài)的線程會變?yōu)椤妇途w」?fàn)顟B(tài)，然后內(nèi)核會在合適的時間，把 CPU 切換給該線程運行。

線程的上下文切換的是什么？當(dāng)兩個線程是屬于同一個進程，因為虛擬內(nèi)存是共享的，所以在切換時，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動，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)。

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

所以，如果你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)（Compare And Swap），在「用戶態(tài)」完成加鎖和解鎖操作，不會主動產(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)就把這兩個步驟合并成一條硬件級指令，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)等待時的耗電量。

自旋鎖是最比較簡單的一種鎖，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，我們需要清楚的知道這一點。

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：讀和寫還有優(yōu)先級區(qū)分？

讀寫鎖從字面意思我們也可以知道，它由「讀鎖」和「寫鎖」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持有寫鎖，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。

知道了讀寫鎖的工作原理后，我們可以發(fā)現(xiàn)，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 才可以成功獲取讀鎖。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 就可以成功獲取讀鎖。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。我們試想一下，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」。

既然不管優(yōu)先讀鎖還是寫鎖，對方可能會出現(xiàn)餓死問題，那么我們就不偏袒任何一方，搞個「公平讀寫鎖」。

公平讀寫鎖比較簡單的一種方式是：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)「饑餓」的現(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行實現(xiàn)。

樂觀鎖與悲觀鎖：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。

那相反的，如果多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。

放棄后如何重試，這跟業(yè)務(wù)場景息息相關(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，樂觀鎖的心態(tài)是，不管三七二十一，先改了資源再說。另外，你會發(fā)現(xiàn)樂觀鎖全程并沒有加鎖，所以它也叫無鎖編程。

這里舉一個場景例子：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行編輯，但是用戶 B 比用戶 A 提交改動，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)前版本號進行比較，如果版本號一致則修改成功，否則提交失敗。

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。

總結(jié)

開發(fā)過程中，最常見的就是互斥鎖的了，互斥鎖加鎖失敗時，會用「線程切換」來應(yīng)對，當(dāng)加鎖失敗的線程再次加鎖成功后的這一過程，會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)行時間很短，那我們應(yīng)該選擇開銷比較小的自旋鎖，因為自旋鎖加鎖失敗時，并不會主動產(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)行時間很短，那這個忙等待的時間相對應(yīng)也很短。

如果能區(qū)分讀操作和寫操作的場景，那讀寫鎖就更合適了，它允許多個讀線程可以同時持有讀鎖，提高了讀的并發(fā)性。根據(jù)偏袒讀方還是寫方，可以分為讀優(yōu)先鎖和寫優(yōu)先鎖，讀優(yōu)先鎖并發(fā)性很強，但是寫線程會被餓死，而寫優(yōu)先鎖會優(yōu)先服務(wù)寫線程，讀線程也可能會被餓死，那為了避免饑餓的問題，于是就有了公平讀寫鎖，它是用隊列把請求鎖的線程排隊，并保證先入先出的原則來對線程加鎖，這樣便保證了某種線程不會被餓死，通用性也更好點。

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行實現(xiàn)。

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

相反的，如果并發(fā)訪問共享資源時，沖突概率非常低的話，就可以使用樂觀鎖，它的工作方式是，在訪問共享資源時，不用先加鎖，修改完共享資源后，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。

但是，一旦沖突概率上升，就不適合使用樂觀鎖了，因為它解決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)行速度會比較快。再來，使用上了合適的鎖，就會快上加快了。

責(zé)任編輯：xj

原文標(biāo)題：面試官：你說說互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖、悲觀鎖、樂觀鎖的應(yīng)用場景

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