深入了解互斥鎖、條件變量、讀寫鎖以及自旋鎖

鎖是一個常見的同步概念，我們都聽說過加鎖（lock）或者解鎖（unlock），當(dāng)然學(xué)術(shù)一點(diǎn)的說法是獲?。?a target="_blank">acquire）和釋放（release）。

恰好pthread包含這幾種鎖的API，而C++11只包含其中的部分。接下來我主要通過pthread的API來展開本文。

mutex（互斥量）

mutex（mutual exclusive）即互斥量（互斥體）。也便是常說的互斥鎖。

盡管名稱不含lock，但是稱之為鎖，也是沒有太大問題的。mutex無疑是最常見的多線程同步方式。其思想簡單粗暴，多線程共享一個互斥量，然后線程之間去競爭。得到鎖的線程可以進(jìn)入臨界區(qū)執(zhí)行代碼。

//聲明一個互斥量
pthread_mutex_tmtx;
//初始化
pthread_mutex_init(&mtx,NULL);
//加鎖
pthread_mutex_lock(&mtx);
//解鎖
pthread_mutex_unlock(&mtx);
//銷毀
pthread_mutex_destroy(&mtx);

mutex是睡眠等待（sleep waiting）類型的鎖，當(dāng)線程搶互斥鎖失敗的時候，線程會陷入休眠。優(yōu)點(diǎn)就是節(jié)省CPU資源，缺點(diǎn)就是休眠喚醒會消耗一點(diǎn)時間。另外自從Linux 2.6版以后，mutex完全用futex的API實(shí)現(xiàn)了，內(nèi)部系統(tǒng)調(diào)用的開銷大大減小。

值得一提的是，pthread的鎖一般都有一個trylock的函數(shù)，比如對于互斥量：

ret=pthread_mutex_trylock(&mtx);
if(0==ret){//加鎖成功
...
pthread_mutex_unlock(&mtx);
}elseif(EBUSY==ret){//鎖正在被使用;
...
}

pthread_mutex_trylock用于以非阻塞的模式來請求互斥量。就好比各種IO函數(shù)都有一個noblock的模式一樣，對于加鎖這件事也有類似的非阻塞模式。

當(dāng)線程嘗試加鎖時，如果鎖已經(jīng)被其他線程鎖定，該線程就會阻塞住，直到能成功acquire。但有時候我們不希望這樣。

pthread_mutex_trylock在被其他線程鎖定時，會返回特殊錯誤碼。加鎖成返回0，僅當(dāng)成功但時候，我們才能解鎖在后面進(jìn)行解鎖操作！

C++11開始引入了多線程庫，其中也包含了互斥鎖的API：std::muxtex 。

此外，依據(jù)同一線程是否能多次加鎖，把互斥量又分為如下兩類：

• 是：稱為『遞歸互斥量』recursive mutex ，也稱『可重入鎖』reentrant lock
• 否：即『非遞歸互斥量』non-recursive mute），也稱『不可重入鎖』non-reentrant mutex

若同一線程對非遞歸的互斥量多次加鎖，可能會造成死鎖。遞歸互斥量則無此風(fēng)險。C++11中有遞歸互斥量的API：std::recursive_mutex。對于pthread則可以通過給mutex添加PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 屬性的方式來使用遞歸互斥量：

//聲明一個互斥量
pthread_mutex_tmtx;
//聲明一個互斥量的屬性變量
pthread_mutexattr_tmtx_attr;

//初始化互斥量的屬性變量
pthread_mutexattr_init(&mtx_attr);
//設(shè)置遞歸互斥量的屬性
pthread_mutexattr_settype(&mtx_attr,PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

//把屬性賦值給互斥量
pthread_mutext_init(&mtx,&mutext_attr);

然而對于遞歸互斥量或者說可重入鎖的使用則需要克制。Stevens大神生前在《APUE》中說『使用好它是十分tricky的，僅當(dāng)沒有其他解決方案時才使用』。

可重入鎖這個概念和稱呼的走俏多半是Java語言的功勞。

condition variable（條件變量）

請注意條件變量不是鎖，它是一種線程間的通訊機(jī)制，并且?guī)缀蹩偸呛突コ饬恳黄鹗褂玫?。所以互斥量和條件變量二者一般是成套出現(xiàn)的。比如C++11中也有條件變量的API：std::condition_variable。

對于pthread：

//聲明一個互斥量
pthread_mutex_tmtx;
//聲明一個條件變量
pthread_cond_tcond;
...

//初始化
pthread_mutex_init(&mtx,NULL);
pthread_cond_init(&cond,NULL);

//加鎖
pthread_mutex_lock(&mtx);
//加鎖成功，等待條件變量觸發(fā)
pthread_cond_wait(&cond,&mtx);

...
//加鎖
pthread_mutex_lock(&mtx);
pthread_cond_signal(&cond);
...
//解鎖
pthread_mutex_unlock(&mtx);
//銷毀
pthread_mutex_destroy(&mtx)

pthread_cond_wait函數(shù)會把條件變量和互斥量都傳入。并且多線程調(diào)用的時候條件變量和互斥量一定要一一對應(yīng)，不能一個條件變量在不同線程中wait的時候傳入不同的互斥量。否則是未定義結(jié)果。

關(guān)于是先解鎖互斥量還是先進(jìn)行條件變量的通知，是另外一個比較大的議題。有種論斷說：先解鎖互斥量再通知條件變量可以減少多余的上下文切換，進(jìn)而提高效率。這種說法是基于一種實(shí)現(xiàn)假設(shè)：先通知條件變量，再解鎖。

可能讓其他等待條件變量的線程被喚醒了，但是此時互斥量還沒解鎖，從而再次陷入休眠。然而對于另外一些實(shí)現(xiàn)，比如Linux系統(tǒng)，則通過等待變形（wait morphing）解決了這一問題。所以先通知再解鎖也沒用問題。

另外在使用條件變量的過程中有個稍微違反直覺的寫法：那就是使用while而不是if來做判斷狀態(tài)是否滿足。這樣做的原因有二：

1. 避免驚群；
2. 避免某些情況下線程被虛假喚醒（即沒有pthread_cond_signal就解除了阻塞）。

比如半同步/半reactor的網(wǎng)絡(luò)模型中，在工作線程消費(fèi)fd隊(duì)列的時候：

while(1){
if(pthread_mutex_lock(&mtx)!=0){//加鎖
...//異常邏輯
}
while(!queue.empty()){
if(pthread_cond_wait(&cond,&mtx)!=0){
...//異常邏輯
}
}
autodata=queue.pop();
if(pthread_mutex_unlock(&mtx)!=0){//解鎖
...//異常邏輯
}
process(data);//處理流程，業(yè)務(wù)邏輯
}

read-write lock（讀寫鎖）

顧名思義『讀寫鎖』就是對于臨界區(qū)區(qū)分讀和寫。在讀多寫少的場景下，不加區(qū)分的使用互斥量顯然是有點(diǎn)浪費(fèi)的。此時便該上演讀寫鎖的拿手好戲。

讀寫鎖有一個別稱叫『共享-獨(dú)占鎖』。不過單看『共享-獨(dú)占鎖』或者『讀寫鎖』這兩個名稱，其實(shí)并未區(qū)分對于讀和寫，到底誰共享，誰獨(dú)占?？赡軙屓苏`以為讀寫鎖是一種更為泛化的稱呼，其實(shí)不是。讀寫鎖的含義是準(zhǔn)確的：是一種 讀共享，寫?yīng)氄嫉逆i。

讀寫鎖的特性：

• 當(dāng)讀寫鎖被加了寫鎖時，其他線程對該鎖加讀鎖或者寫鎖都會阻塞（不是失?。?。
• 當(dāng)讀寫鎖被加了讀鎖時，其他線程對該鎖加寫鎖會阻塞，加讀鎖會成功。

因而適用于多讀少寫的場景。

//聲明一個讀寫鎖
pthread_rwlock_trwlock;
...
//在讀之前加讀鎖
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);

...共享資源的讀操作

//讀完釋放鎖
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

//在寫之前加寫鎖
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

...共享資源的寫操作

//寫完釋放鎖
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

//銷毀讀寫鎖
pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

其實(shí)加讀鎖和加寫鎖這兩個說法可能會造成誤導(dǎo)，讓人誤以為是有兩把鎖，其實(shí)讀寫鎖是一個鎖。所謂加讀鎖和加寫鎖，準(zhǔn)確的說法可能是『給讀寫鎖加讀模式的鎖定和加寫模式的鎖定』。

讀寫鎖和互斥量一樣也有trylock函數(shù)，也是以非阻塞地形式來請求鎖，不會導(dǎo)致阻塞。

pthread_rwlock_tryrdlock(&rwlock)
pthread_rwlock_trywrlock(&rwlock)

C++11中有互斥量、條件變量但是并沒有引入讀寫鎖。而在C++17中出現(xiàn)了一種新鎖：std::shared_mutex。用它可以模擬實(shí)現(xiàn)出讀寫鎖。demo代碼可以直接參考cppreference：

https://en.cppreference.com/w/cpp/thread/shared_mutex

另外多讀少寫的場景有些特殊場景，可以用特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)減少鎖使用：

• 多讀單寫的線性數(shù)據(jù)。用數(shù)組實(shí)現(xiàn)環(huán)形隊(duì)列，避免vector等動態(tài)擴(kuò)張的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，寫在結(jié)尾，由于單寫因而可以不加鎖；讀在開頭，由于多讀（避免重復(fù)消費(fèi)）所以需要加一下鎖（互斥量就行）。
• 多讀單寫的KV?？梢允褂秒p緩沖（double buffer）的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。double buffer同名的概念比較多，這里指的是foreground 和 backgroud 兩個buffer進(jìn)行切換的『0 - 1切換』技術(shù)。比如實(shí)現(xiàn)動態(tài)加載（熱加載）配置文件的時候?？赡軙谇袚Q間隙加一個短暫的互斥量，但是基本可以認(rèn)為是lock free的。

我一張口，你就會發(fā)現(xiàn)：無非是空間換時間的老套路了。

spinlock（自旋鎖）

自旋之名頗為玄妙，第一次聽聞常讓人略覺高大。但和無數(shù)個好似『故意把簡單概念復(fù)雜化』的計(jì)算機(jī)術(shù)語一樣，自旋鎖的本質(zhì)簡單的難以置信。

要了解自旋鎖，首先了解自旋。什么是自旋（spin）呢？更為通俗的一個詞是『忙等待』（busy waiting）。最最通俗的一個理解，其實(shí)就是死循環(huán)……。

單看使用方法和使用互斥量的代碼是差不多的。只不過自旋鎖不會引起線程休眠。當(dāng)共享資源的狀態(tài)不滿足的時候，自旋鎖會不停地循環(huán)檢測狀態(tài)。因?yàn)椴粫萑胄菝?，而是忙等待的方式也就不需要條件變量。

這是優(yōu)點(diǎn)也是缺點(diǎn)。不休眠就不會引起上下文切換，但是會比較浪費(fèi)CPU。

//聲明一個自旋鎖變量
pthread_spinlock_tspinlock;

//初始化
pthread_spin_init(&spinlock,0);

//加鎖
pthread_spin_lock(&spinlock);

//解鎖
pthread_spin_unlock(&spinlock);

//銷毀
pthread_spin_destroy(&spinlock);

pthread_spin_init函數(shù)的第二個參數(shù)名為pshared（int類型）。表示的是是否能進(jìn)程間共享自旋鎖。這被稱之為Thread Process-Shared Synchronization?；コ饬康耐ㄟ^屬性也可以把互斥量設(shè)置成進(jìn)程間共享的。pshared有兩個枚舉值：

• PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：僅同進(jìn)程下讀線程可以使用該自旋鎖
• PTHREAD_PROCESS_SHARED：不同進(jìn)程下的線程可以使用該自旋鎖

在Linux上的glibc中這兩個枚舉值分別是0和1（Mac上不是）。所以通常也會看到直接傳0的代碼。你可能覺得不使用宏，直接用數(shù)字硬編碼不是一個好習(xí)慣。的確，妥妥的Magic Number，但還有一個有趣的事實(shí)你需要了解：并不是所有實(shí)現(xiàn)都支持自旋鎖設(shè)置pshared。比如：

intpthread_spin_init(pthread_spinlock_t*lock,intpshared){
/*RelaxedMOisfinebecausethisisaninitializingstore.*/
atomic_store_relaxed(lock,0);
return0;
}

所以直接傳0可能也無傷大雅。

自旋鎖 VS 互斥量+條件變量 孰優(yōu)孰劣？肯定要看具體的使用場景，（我好像在說片湯話）。當(dāng)你不知道在你的使用場景下這兩種鎖該用哪個的時候，那就是用互斥量吧！

或者通過壓測的判斷，不過大多數(shù)時候我們好像并不需要這么一個pthread的自旋鎖，知友們可以提供一些自旋鎖的使用參考。