來自公眾號：小林coding
前言
生活中用到的鎖薯嗤，用途都比較簡單粗暴，上鎖基本是為了防止外人進來纤泵、電動車被偷等等骆姐。
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)玻褪，只要他愿意肉渴，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带射？牛逼之人黄虱，必有牛逼之處。
那在編程世界里庸诱，「鎖」更是五花八門捻浦，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桥爽。
如何用好鎖朱灿，也是程序員的基本素養(yǎng)之一了。
高并發(fā)的場景下钠四，如果選對了合適的鎖盗扒，則會大大提高系統(tǒng)的性能，否則性能會降低缀去。
所以侣灶，知道各種鎖的開銷，以及應(yīng)用場景是很有必要的缕碎。
接下來褥影，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)錯亂的問題咏雌，所以我們通常為了解決這一問題凡怎，都會在訪問共享資源之前加鎖。
最常用的就是互斥鎖赊抖，當(dāng)然還有很多種不同的鎖统倒，比如自旋鎖、讀寫鎖氛雪、樂觀鎖等房匆，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报亩，那么在一些高并發(fā)的場景下浴鸿，可能會降低系統(tǒng)的性能，這樣用戶體驗就會非常差了捆昏。
所以赚楚，為了選擇合適的鎖毙沾，我們不僅需要清楚知道加鎖的成本開銷有多大骗卜，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。
對癥下藥寇仓，才能減少鎖對高并發(fā)性能的影響举户。
那接下來，針對不同的應(yīng)用場景遍烦，談一談「互斥鎖俭嘁、自旋鎖、讀寫鎖服猪、樂觀鎖供填、悲觀鎖」的選擇和使用。
互斥鎖與自旋鎖：誰更輕松自如罢猪？
最底層的兩種就是會「互斥鎖和自旋鎖」近她，有很多高級的鎖都是基于它們實現(xiàn)的，你可以認為它們是各種鎖的地基膳帕，所以我們必須清楚它倆之間的區(qū)別和應(yīng)用粘捎。
加鎖的目的就是保證共享資源在任意時間里，只有一個線程訪問危彩，這樣就可以避免多線程導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)錯亂的問題攒磨。
當(dāng)已經(jīng)有一個線程加鎖后，其他線程加鎖則就會失敗汤徽，互斥鎖和自旋鎖對于加鎖失敗后的處理方式是不一樣的：
互斥鎖加鎖失敗后娩缰，線程會釋放 CPU ，給其他線程谒府；
自旋鎖加鎖失敗后漆羔，線程會忙等待，直到它拿到鎖狱掂；
互斥鎖是一種「獨占鎖」演痒，比如當(dāng)線程 A 加鎖成功后，此時互斥鎖已經(jīng)被線程 A 獨占了趋惨，只要線程 A 沒有釋放手中的鎖鸟顺，線程 B 加鎖就會失敗，于是就會釋放 CPU 讓給其他線程器虾，既然線程 B 釋放掉了 CPU讯嫂，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)象兆沙，是由操作系統(tǒng)內(nèi)核實現(xiàn)的欧芽。當(dāng)加鎖失敗時，內(nèi)核會將線程置為「睡眠」?fàn)顟B(tài)葛圃，等到鎖被釋放后千扔，內(nèi)核會在合適的時機喚醒線程憎妙，當(dāng)這個線程成功獲取到鎖后，于是就可以繼續(xù)執(zhí)行曲楚。如下圖：
所以厘唾，互斥鎖加鎖失敗時，會從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài)龙誊，讓內(nèi)核幫我們切換線程抚垃，雖然簡化了使用鎖的難度，但是存在一定的性能開銷成本趟大。
那這個開銷成本是什么呢鹤树？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)逊朽，然后把 CPU 切換給其他線程運行魂迄；
接著，當(dāng)鎖被釋放時惋耙，之前「睡眠」?fàn)顟B(tài)的線程會變?yōu)椤妇途w」?fàn)顟B(tài)捣炬，然后內(nèi)核會在合適的時間，把 CPU 切換給該線程運行绽榛。
線程的上下文切換的是什么湿酸？當(dāng)兩個線程是屬于同一個進程，因為虛擬內(nèi)存是共享的灭美，所以在切換時推溃，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)届腐、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)铁坎。
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犁苏，如果你鎖住的代碼執(zhí)行時間比較短硬萍，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。
所以围详，如果你能確定被鎖住的代碼執(zhí)行時間很短朴乖，就不應(yīng)該用互斥鎖，而應(yīng)該選用自旋鎖助赞，否則使用互斥鎖买羞。
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雹食，不會主動產(chǎn)生線程上下文切換畜普，所以相比互斥鎖來說，會快一些群叶，開銷也小一些吃挑。
一般加鎖的過程钝荡，包含兩個步驟：
第一步，查看鎖的狀態(tài)儒鹿，如果鎖是空閑的，則執(zhí)行第二步几晤；
第二步约炎，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蟹瘾，形成原子指令圾浅，這樣就保證了這兩個步驟是不可分割的，要么一次性執(zhí)行完兩個步驟憾朴，要么兩個步驟都不執(zhí)行狸捕。
使用自旋鎖的時候，當(dāng)發(fā)生多線程競爭鎖的情況众雷，加鎖失敗的線程會「忙等待」灸拍，直到它拿到鎖。這里的「忙等待」可以用 while 循環(huán)等待實現(xiàn)砾省，不過最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令來實現(xiàn)「忙等待」鸡岗，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编兄，一直自旋轩性，利用 CPU 周期，直到鎖可用狠鸳。需要注意揣苏，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件舵，運行其他線程）卸察。否則，自旋鎖在單 CPU 上無法使用铅祸，因為一個自旋的線程永遠不會放棄 CPU蛾派。
自旋鎖開銷少，在多核系統(tǒng)下一般不會主動產(chǎn)生線程切換个少，適合異步洪乍、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)行時間過長夜焦，自旋的線程會長時間占用 CPU 資源壳澳，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茫经。
自旋鎖與互斥鎖使用層面比較相似巷波，但實現(xiàn)層面上完全不同：當(dāng)加鎖失敗時萎津，互斥鎖用「線程切換」來應(yīng)對，自旋鎖則用「忙等待」來應(yīng)對抹镊。
它倆是鎖的最基本處理方式锉屈，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)垮耳，也可以基于自旋鎖實現(xiàn)颈渊。
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终佛，它由「讀鎖」和「寫鎖」兩部分構(gòu)成俊嗽，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」加鎖铃彰。
所以绍豁，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」沒有被線程持有時牙捉，多個線程能夠并發(fā)地持有讀鎖竹揍，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邪铲，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)鬼佣。
但是，一旦「寫鎖」被線程持有后霜浴，讀線程的獲取讀鎖的操作會被阻塞晶衷，而且其他寫線程的獲取寫鎖的操作也會被阻塞。
所以說阴孟，寫鎖是獨占鎖晌纫，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永丝，而讀鎖是共享鎖锹漱，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慕嚷，我們可以發(fā)現(xiàn)哥牍，讀寫鎖在讀多寫少的場景，能發(fā)揮出優(yōu)勢喝检。
另外嗅辣，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」挠说。
讀優(yōu)先鎖期望的是澡谭，讀鎖能被更多的線程持有，以便提高讀線程的并發(fā)性损俭，它的工作方式是：當(dāng)讀線程 A 先持有了讀鎖蛙奖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候潘酗，會被阻塞，并且在阻塞過程中雁仲，后續(xù)來的讀線程 C 仍然可以成功獲取讀鎖仔夺，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攒砖。如下圖：
而寫優(yōu)先鎖是優(yōu)先服務(wù)寫線程缸兔，其工作方式是：當(dāng)讀線程 A 先持有了讀鎖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候祭衩，會被阻塞灶体，并且在阻塞過程中阅签，后續(xù)來的讀線程 C 獲取讀鎖時會失敗掐暮，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 釋放讀鎖后政钟，寫線程 B 就可以成功獲取讀鎖路克。如下圖：
讀優(yōu)先鎖對于讀線程并發(fā)性更好，但也不是沒有問題养交。我們試想一下精算，如果一直有讀線程獲取讀鎖，那么寫線程將永遠獲取不到寫鎖碎连，這就造成了寫線程「饑餓」的現(xiàn)象灰羽。
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鱼辙，讀線程也會被「餓死」廉嚼。
既然不管優(yōu)先讀鎖還是寫鎖，對方可能會出現(xiàn)餓死問題倒戏，那么我們就不偏袒任何一方怠噪，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杜跷，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傍念，這樣讀線程仍然可以并發(fā)，也不會出現(xiàn)「饑餓」的現(xiàn)象葛闷。
互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖憋槐，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)有何不同淑趾？
前面提到的互斥鎖秦陋、自旋鎖、讀寫鎖治笨，都是屬于悲觀鎖驳概。
悲觀鎖做事比較悲觀赤嚼，它認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)沖突顺又，所以訪問共享資源前更卒，先要上鎖。
那相反的稚照，如果多線程同時修改共享資源的概率比較低蹂空，就可以采用樂觀鎖。
樂觀鎖做事比較樂觀果录，它假定沖突的概率很低上枕，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)生沖突弱恒，如果沒有其他線程在修改資源辨萍，那么操作完成，如果發(fā)現(xiàn)有其他線程已經(jīng)修改過這個資源返弹，就放棄本次操作锈玉。
放棄后如何重試，這跟業(yè)務(wù)場景息息相關(guān)义起，雖然重試的成本很高拉背，但是沖突的概率足夠低的話，還是可以接受的默终。
可見椅棺，樂觀鎖的心態(tài)是，不管三七二十一齐蔽，先改了資源再說两疚。另外，你會發(fā)現(xiàn)樂觀鎖全程并沒有加鎖肴熏，所以它也叫無鎖編程鬼雀。
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蛙吏，如果使用了悲觀鎖源哩，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鸦做，這用戶體驗當(dāng)然不好了励烦。
那實現(xiàn)多人同時編輯，實際上是用了樂觀鎖泼诱，它允許多個用戶打開同一個文檔進行編輯坛掠，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？這里舉個例子屉栓，比如用戶 A 先在瀏覽器編輯文檔舷蒲，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 提交改動友多，這一過程用戶 A 是不知道的牲平，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)生沖突域滥。
服務(wù)端要怎么驗證是否沖突了呢纵柿？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启绰，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昂儒；
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委可，服務(wù)器收到后將它與當(dāng)前版本號進行比較渊跋，如果版本號一致則修改成功，否則提交失敗撤缴。
實際上刹枉，我們常見的 SVN 和 Git 也是用了樂觀鎖的思想叽唱，先讓用戶編輯代碼屈呕，然后提交的時候，通過版本號來判斷是否產(chǎn)生了沖突棺亭，發(fā)生了沖突的地方虎眨，需要我們自己修改后，再重新提交镶摘。
樂觀鎖雖然去除了加鎖解鎖的操作嗽桩，但是一旦發(fā)生沖突，重試的成本非常高凄敢，所以只有在沖突概率非常低碌冶，且加鎖成本非常高的場景時，才考慮使用樂觀鎖涝缝。
總結(jié)
開發(fā)過程中扑庞，最常見的就是互斥鎖的了，互斥鎖加鎖失敗時拒逮，會用「線程切換」來應(yīng)對罐氨，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滩援，性能損耗比較大栅隐。
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租悄，并不會主動產(chǎn)生線程切換谨究，而是一直忙等待，直到獲取到鎖泣棋，那么如果被鎖住的代碼執(zhí)行時間很短记盒，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外傅，那讀寫鎖就更合適了纪吮，它允許多個讀線程可以同時持有讀鎖，提高了讀的并發(fā)性萎胰。根據(jù)偏袒讀方還是寫方碾盟，可以分為讀優(yōu)先鎖和寫優(yōu)先鎖，讀優(yōu)先鎖并發(fā)性很強技竟，但是寫線程會被餓死冰肴，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榔组，那為了避免饑餓的問題熙尉，于是就有了公平讀寫鎖，它是用隊列把請求鎖的線程排隊搓扯，并保證先入先出的原則來對線程加鎖检痰，這樣便保證了某種線程不會被餓死，通用性也更好點锨推。
互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖铅歼，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)。
另外换可，互斥鎖椎椰、自旋鎖、讀寫鎖都屬于悲觀鎖沾鳄，悲觀鎖認為并發(fā)訪問共享資源時慨飘，沖突概率可能非常高，所以在訪問共享資源前译荞，都需要先加鎖瓤的。
相反的，如果并發(fā)訪問共享資源時磁椒，沖突概率非常低的話堤瘤，就可以使用樂觀鎖，它的工作方式是浆熔，在訪問共享資源時本辐，不用先加鎖桥帆，修改完共享資源后，再驗證這段時間內(nèi)有沒有發(fā)生沖突慎皱，如果沒有其他線程在修改資源老虫，那么操作完成，如果發(fā)現(xiàn)有其他線程已經(jīng)修改過這個資源茫多，就放棄本次操作祈匙。
但是，一旦沖突概率上升天揖，就不適合使用樂觀鎖了夺欲，因為它解決沖突的重試成本非常高。
不管使用的哪種鎖今膊，我們的加鎖的代碼范圍應(yīng)該盡可能的小些阅，也就是加鎖的粒度要小，這樣執(zhí)行速度會比較快斑唬。再來市埋，使用上了合適的鎖，就會快上加快了恕刘。
