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。