互斥锁与自旋锁

• 最底层的两种就是会「互斥锁和自旋锁」

• 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。

• 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」

• 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。

• 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。

• 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。

• 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

• 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。

读写锁

• 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。

• 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。

• 读写锁在读多写少的场景，能发挥出优势。

• 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

  • 写优先锁是优先服务写线程

• 既然不管优先读锁还是写锁，对方可能会出现饿死问题

• 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。

乐观锁和悲观锁

• 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。

• 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，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。

• 乐观锁全程并没有加锁，所以它也叫无锁编程。

• 小例子

  • 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

• 乐观锁是先修改同步资源，再验证有没有发生冲突。悲观锁是修改共享数据前，都要先加锁，防止竞争。