互斥锁、自旋锁、读写锁、悲观锁、乐观锁的应用场景

墨蓝 2022-10-29 07:50 234阅读 0赞

## **前言** ##

在编程世界里，「锁」更是五花八门，多种多样，每种锁的加锁开销以及应用场景也可能会不同。

如何用好锁，也是程序员的基本素养之一了。

高并发的场景下，如果选对了合适的锁，则会大大提高系统的性能，否则性能会降低。

所以，知道各种锁的开销，以及应用场景是很有必要的。

接下来，就谈一谈常见的这几种锁：

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## **正文** ##

多线程访问共享资源的时候，避免不了资源竞争而导致数据错乱的问题，所以我们通常为了解决这一问题，都会在访问共享资源之前加锁。

最常用的就是互斥锁，当然还有很多种不同的锁，比如自旋锁、读写锁、乐观锁等，不同种类的锁自然适用于不同的场景。

如果选择了错误的锁，那么在一些高并发的场景下，可能会降低系统的性能，这样用户体验就会非常差了。

所以，为了选择合适的锁，我们不仅需要清楚知道加锁的成本开销有多大，还需要分析业务场景中访问的共享资源的方式，再来还要考虑并发访问共享资源时的冲突概率。

对症下药，才能减少锁对高并发性能的影响。

那接下来，针对不同的应用场景，谈一谈「**互斥锁、自旋锁、读写锁、乐观锁、悲观锁**」的选择和使用。

### **互斥锁与自旋锁：谁更轻松自如？** ###

最底层的两种就是会「互斥锁和自旋锁」，有很多高级的锁都是基于它们实现的，你可以认为它们是各种锁的地基，所以我们必须清楚它俩之间的区别和应用。

加锁的目的就是保证共享资源在任意时间里，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，其他线程加锁则就会失败，互斥锁和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，内核会将线程置为「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：  
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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成本。

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，把 CPU 切换给该线程运行。

线程的上下文切换的是什么？当两个线程是属于同一个进程，**因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。**

上下切换的耗时有大佬统计过，大概在几十纳秒到几微秒之间，如果你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你锁住的代码执行时间还要长。

所以，**如果你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（*Compare And Swap*），在「用户态」完成加锁和解锁操作，不会主动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，如果锁是空闲的，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指令，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时的耗电量。

自旋锁是最比较简单的一种锁，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，我们需要清楚的知道这一点。

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：读和写还有优先级区分？** ###

读写锁从字面意思我们也可以知道，它由「读锁」和「写锁」两部分构成，如果只读取共享资源用「读锁」加锁，如果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持有写锁，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。

知道了读写锁的工作原理后，我们可以发现，**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。如下图：

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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 就可以成功获取读锁。如下图：

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读优先锁对于读线程并发性更好，但也不是没有问题。我们试想一下，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」。

既然不管优先读锁还是写锁，对方可能会出现饿死问题，那么我们就不偏袒任何一方，搞个「公平读写锁」。

**公平读写锁比较简单的一种方式是：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「饥饿」的现象。**

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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### **乐观锁与悲观锁：做事的心态有何不同？** ###

前面提到的互斥锁、自旋锁、读写锁，都是属于悲观锁。

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**。

那相反的，如果多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**。

放弃后如何重试，这跟业务场景息息相关，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。

可见，乐观锁的心态是，不管三七二十一，先改了资源再说。另外，你会发现**乐观锁全程并没有加锁，所以它也叫无锁编程**。

这里举一个场景例子：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 提交改动，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，如果版本号一致则修改成功，否则提交失败。

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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## **总结** ##

开发过程中，最常见的就是互斥锁的了，互斥锁加锁失败时，会用「线程切换」来应对，当加锁失败的线程再次加锁成功后的这一过程，会有两次线程上下文切换的成本，性能损耗比较大。

如果我们明确知道被锁住的代码的执行时间很短，那我们应该选择开销比较小的自旋锁，因为自旋锁加锁失败时，并不会主动产生线程切换，而是一直忙等待，直到获取到锁，那么如果被锁住的代码执行时间很短，那这个忙等待的时间相对应也很短。

如果能区分读操作和写操作的场景，那读写锁就更合适了，它允许多个读线程可以同时持有读锁，提高了读的并发性。根据偏袒读方还是写方，可以分为读优先锁和写优先锁，读优先锁并发性很强，但是写线程会被饿死，而写优先锁会优先服务写线程，读线程也可能会被饿死，那为了避免饥饿的问题，于是就有了公平读写锁，它是用队列把请求锁的线程排队，并保证先入先出的原则来对线程加锁，这样便保证了某种线程不会被饿死，通用性也更好点。

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。

另外，互斥锁、自旋锁、读写锁都属于悲观锁，悲观锁认为并发访问共享资源时，冲突概率可能非常高，所以在访问共享资源前，都需要先加锁。

相反的，如果并发访问共享资源时，冲突概率非常低的话，就可以使用乐观锁，它的工作方式是，在访问共享资源时，不用先加锁，修改完共享资源后，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。

但是，一旦冲突概率上升，就不适合使用乐观锁了，因为它解决冲突的重试成本非常高。

不管使用的哪种锁，我们的加锁的代码范围应该尽可能的小，也就是加锁的粒度要小，这样执行速度会比较快。再来，使用上了合适的锁，就会快上加快了。

原文参考[https://zhuanlan.zhihu.com/p/246114725][https_zhuanlan.zhihu.com_p_246114725]

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[https_zhuanlan.zhihu.com_p_246114725]: https://zhuanlan.zhihu.com/p/246114725