前言

生活中用到的鎖幅聘，用途都比較簡單粗暴凡纳，上鎖基本是為了防止外人進(jìn)來、電動車被偷等等帝蒿。

但生活中也不是沒有 BUG 的荐糜，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)，只要他愿意狞尔，他就可以輕輕松松地把你電動車給「順走」丛版，不然打工怎么會是他這輩子不可能的事情呢？牛逼之人偏序，必有牛逼之處。

那在編程世界里胖替，「鎖」更是五花八門研儒，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独令。

如何用好鎖端朵，也是程序員的基本素養(yǎng)之一了。

高并發(fā)的場景下燃箭，如果選對了合適的鎖冲呢，則會大大提高系統(tǒng)的性能，否則性能會降低招狸。

所以敬拓，知道各種鎖的開銷，以及應(yīng)用場景是很有必要的裙戏。

接下來乘凸，就談一談常見的這幾種鎖：

正文

多線程訪問共享資源的時(shí)候，避免不了資源競爭而導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的問題累榜，所以我們通常為了解決這一問題营勤，都會在訪問共享資源之前加鎖。

最常用的就是互斥鎖壹罚，當(dāng)然還有很多種不同的鎖葛作，比如自旋鎖、讀寫鎖猖凛、樂觀鎖等赂蠢，不同種類的鎖自然適用于不同的場景。

如果選擇了錯(cuò)誤的鎖形病，那么在一些高并發(fā)的場景下客年，可能會降低系統(tǒng)的性能，這樣用戶體驗(yàn)就會非常差了漠吻。

所以量瓜，為了選擇合適的鎖，我們不僅需要清楚知道加鎖的成本開銷有多大途乃，還需要分析業(yè)務(wù)場景中訪問的共享資源的方式绍傲，再來還要考慮并發(fā)訪問共享資源時(shí)的沖突概率。

對癥下藥，才能減少鎖對高并發(fā)性能的影響烫饼。

那接下來猎塞，針對不同的應(yīng)用場景，談一談「互斥鎖杠纵、自旋鎖荠耽、讀寫鎖、樂觀鎖比藻、悲觀鎖」的選擇和使用铝量。

互斥鎖與自旋鎖：誰更輕松自如？

最底層的兩種就是會「互斥鎖和自旋鎖」银亲，有很多高級的鎖都是基于它們實(shí)現(xiàn)的慢叨，你可以認(rèn)為它們是各種鎖的地基，所以我們必須清楚它倆之間的區(qū)別和應(yīng)用务蝠。

加鎖的目的就是保證共享資源在任意時(shí)間里拍谐，只有一個(gè)線程訪問轩拨，這樣就可以避免多線程導(dǎo)致共享數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的問題。

當(dāng)已經(jīng)有一個(gè)線程加鎖后毅弧，其他線程加鎖則就會失敗，互斥鎖和自旋鎖對于加鎖失敗后的處理方式是不一樣的：

• 互斥鎖加鎖失敗后够坐，線程會釋放 CPU ，給其他線程元咙；

• 自旋鎖加鎖失敗后，線程會忙等待庶香，直到它拿到鎖；

互斥鎖是一種「獨(dú)占鎖」赶掖，比如當(dāng)線程 A 加鎖成功后，此時(shí)互斥鎖已經(jīng)被線程 A 獨(dú)占了奢赂，只要線程 A 沒有釋放手中的鎖，線程 B 加鎖就會失敗膳灶，于是就會釋放 CPU 讓給其他線程立由，既然線程 B 釋放掉了 CPU序厉，自然線程 B 加鎖的代碼就會被阻塞锐膜。

對于互斥鎖加鎖失敗而阻塞的現(xiàn)象，是由操作系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的弛房。當(dāng)加鎖失敗時(shí)道盏，內(nèi)核會將線程置為「睡眠」?fàn)顟B(tài)，等到鎖被釋放后庭再，內(nèi)核會在合適的時(shí)機(jī)喚醒線程捞奕，當(dāng)這個(gè)線程成功獲取到鎖后，于是就可以繼續(xù)執(zhí)行拄轻。如下圖：

所以，互斥鎖加鎖失敗時(shí)伟葫，會從用戶態(tài)陷入到內(nèi)核態(tài)恨搓，讓內(nèi)核幫我們切換線程，雖然簡化了使用鎖的難度筏养，但是存在一定的性能開銷成本斧抱。

那這個(gè)開銷成本是什么呢？會有兩次線程上下文切換的成本：

• 當(dāng)線程加鎖失敗時(shí)渐溶，內(nèi)核會把線程的狀態(tài)從「運(yùn)行」?fàn)顟B(tài)設(shè)置為「睡眠」?fàn)顟B(tài)辉浦，然后把 CPU 切換給其他線程運(yùn)行；

• 接著茎辐，當(dāng)鎖被釋放時(shí)宪郊，之前「睡眠」?fàn)顟B(tài)的線程會變?yōu)椤妇途w」?fàn)顟B(tài)，然后內(nèi)核會在合適的時(shí)間拖陆，把 CPU 切換給該線程運(yùn)行弛槐。

線程的上下文切換的是什么？當(dāng)兩個(gè)線程是屬于同一個(gè)進(jìn)程依啰，因?yàn)樘摂M內(nèi)存是共享的乎串，所以在切換時(shí)，虛擬內(nèi)存這些資源就保持不動速警，只需要切換線程的私有數(shù)據(jù)叹誉、寄存器等不共享的數(shù)據(jù)。

上下切換的耗時(shí)有大佬統(tǒng)計(jì)過闷旧，大概在幾十納秒到幾微秒之間长豁，如果你鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間比較短，那可能上下文切換的時(shí)間都比你鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間還要長鸠匀。

所以蕉斜，如果你能確定被鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間很短，就不應(yīng)該用互斥鎖，而應(yīng)該選用自旋鎖宅此，否則使用互斥鎖。

自旋鎖是通過 CPU 提供的 CAS 函數(shù)（Compare And Swap）弱匪，在「用戶態(tài)」完成加鎖和解鎖操作萧诫，不會主動產(chǎn)生線程上下文切換枝嘶，所以相比互斥鎖來說，會快一些及刻，開銷也小一些缴饭。

一般加鎖的過程骆莹，包含兩個(gè)步驟：

• 第一步幕垦，查看鎖的狀態(tài)，如果鎖是空閑的卖丸，則執(zhí)行第二步稍浆；

• 第二步衅枫，將鎖設(shè)置為當(dāng)前線程持有朗伶；

CAS 函數(shù)就把這兩個(gè)步驟合并成一條硬件級指令论皆，形成原子指令猾漫，這樣就保證了這兩個(gè)步驟是不可分割的悯周，要么一次性執(zhí)行完兩個(gè)步驟禽翼，要么兩個(gè)步驟都不執(zhí)行族跛。

使用自旋鎖的時(shí)候礁哄，當(dāng)發(fā)生多線程競爭鎖的情況，加鎖失敗的線程會「忙等待」花枫，直到它拿到鎖。這里的「忙等待」可以用 while 循環(huán)等待實(shí)現(xiàn)敦锌，不過最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令來實(shí)現(xiàn)「忙等待」乙墙，因?yàn)榭梢詼p少循環(huán)等待時(shí)的耗電量。

自旋鎖是最比較簡單的一種鎖腥刹，一直自旋衔峰，利用 CPU 周期蛙粘，直到鎖可用出牧。需要注意，在單核 CPU 上评抚，需要搶占式的調(diào)度器（即不斷通過時(shí)鐘中斷一個(gè)線程，運(yùn)行其他線程）邢笙。否則鱼响，自旋鎖在單 CPU 上無法使用丈积，因?yàn)橐粋€(gè)自旋的線程永遠(yuǎn)不會放棄 CPU江滨。

自旋鎖開銷少，在多核系統(tǒng)下一般不會主動產(chǎn)生線程切換告唆，適合異步擒悬、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(shí)間過長懂牧，自旋的線程會長時(shí)間占用 CPU 資源僧凤，所以自旋的時(shí)間和被鎖住的代碼執(zhí)行的時(shí)間是成「正比」的關(guān)系躯保，我們需要清楚的知道這一點(diǎn)澎语。

自旋鎖與互斥鎖使用層面比較相似咏连，但實(shí)現(xiàn)層面上完全不同：當(dāng)加鎖失敗時(shí)祟滴，互斥鎖用「線程切換」來應(yīng)對，自旋鎖則用「忙等待」來應(yīng)對骑晶。

它倆是鎖的最基本處理方式，更高級的鎖都會選擇其中一個(gè)來實(shí)現(xiàn)匙头，比如讀寫鎖既可以選擇互斥鎖實(shí)現(xiàn)蹂析，也可以基于自旋鎖實(shí)現(xiàn)碟婆。

讀寫鎖：讀和寫還有優(yōu)先級區(qū)分竖共？

讀寫鎖從字面意思我們也可以知道公给，它由「讀鎖」和「寫鎖」兩部分構(gòu)成，如果只讀取共享資源用「讀鎖」加鎖肺然，如果要修改共享資源則用「寫鎖」加鎖狰挡。

所以，讀寫鎖適用于能明確區(qū)分讀操作和寫操作的場景唇撬。

讀寫鎖的工作原理是：

• 當(dāng)「寫鎖」沒有被線程持有時(shí)展融，多個(gè)線程能夠并發(fā)地持有讀鎖，這大大提高了共享資源的訪問效率扑浸，因?yàn)椤缸x鎖」是用于讀取共享資源的場景喝噪，所以多個(gè)線程同時(shí)持有讀鎖也不會破壞共享資源的數(shù)據(jù)酝惧。

• 但是，一旦「寫鎖」被線程持有后巫财，讀線程的獲取讀鎖的操作會被阻塞哩陕，而且其他寫線程的獲取寫鎖的操作也會被阻塞。

所以說闽瓢，寫鎖是獨(dú)占鎖鸳粉，因?yàn)槿魏螘r(shí)刻只能有一個(gè)線程持有寫鎖届谈，類似互斥鎖和自旋鎖艰山，而讀鎖是共享鎖咏闪，因?yàn)樽x鎖可以被多個(gè)線程同時(shí)持有鸽嫂。

知道了讀寫鎖的工作原理后据某，我們可以發(fā)現(xiàn)，讀寫鎖在讀多寫少的場景挽唉，能發(fā)揮出優(yōu)勢瓶籽。

另外塑顺，根據(jù)實(shí)現(xiàn)的不同茬暇，讀寫鎖可以分為「讀優(yōu)先鎖」和「寫優(yōu)先鎖」。

讀優(yōu)先鎖期望的是勒奇，讀鎖能被更多的線程持有赊颠，以便提高讀線程的并發(fā)性竣蹦，它的工作方式是：當(dāng)讀線程 A 先持有了讀鎖沧奴，寫線程 B 在獲取寫鎖的時(shí)候纲菌，會被阻塞疮绷，并且在阻塞過程中，后續(xù)來的讀線程 C 仍然可以成功獲取讀鎖椅贱，最后直到讀線程 A 和 C 釋放讀鎖后庇麦，寫線程 B 才可以成功獲取讀鎖女器。如下圖：

而寫優(yōu)先鎖是優(yōu)先服務(wù)寫線程涣澡，其工作方式是：當(dāng)讀線程 A 先持有了讀鎖入桂，寫線程 B 在獲取寫鎖的時(shí)候抗愁，會被阻塞，并且在阻塞過程中饵隙，后續(xù)來的讀線程 C 獲取讀鎖時(shí)會失敗，于是讀線程 C 將被阻塞在獲取讀鎖的操作沮脖，這樣只要讀線程 A 釋放讀鎖后金矛，寫線程 B 就可以成功獲取讀鎖。如下圖：

讀優(yōu)先鎖對于讀線程并發(fā)性更好勺届，但也不是沒有問題驶俊。我們試想一下，如果一直有讀線程獲取讀鎖免姿，那么寫線程將永遠(yuǎn)獲取不到寫鎖饼酿，這就造成了寫線程「饑餓」的現(xiàn)象。

寫優(yōu)先鎖可以保證寫線程不會餓死胚膊，但是如果一直有寫線程獲取寫鎖故俐，讀線程也會被「餓死」。

既然不管優(yōu)先讀鎖還是寫鎖澜掩，對方可能會出現(xiàn)餓死問題，那么我們就不偏袒任何一方筐乳，搞個(gè)「公平讀寫鎖」路召。

公平讀寫鎖比較簡單的一種方式是：用隊(duì)列把獲取鎖的線程排隊(duì)，不管是寫線程還是讀線程都按照先進(jìn)先出的原則加鎖即可，這樣讀線程仍然可以并發(fā)，也不會出現(xiàn)「饑餓」的現(xiàn)象。

互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖，讀寫鎖可以根據(jù)場景來選擇這兩種鎖其中的一個(gè)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)苍姜。

樂觀鎖與悲觀鎖：做事的心態(tài)有何不同布近？

前面提到的互斥鎖棵譬、自旋鎖脏嚷、讀寫鎖肴裙，都是屬于悲觀鎖。

悲觀鎖做事比較悲觀，它認(rèn)為多線程同時(shí)修改共享資源的概率比較高乔煞，于是很容易出現(xiàn)沖突空骚，所以訪問共享資源前逢渔，先要上鎖。

那相反的，如果多線程同時(shí)修改共享資源的概率比較低，就可以采用樂觀鎖。

樂觀鎖做事比較樂觀，它假定沖突的概率很低，它的工作方式是：先修改完共享資源，再驗(yàn)證這段時(shí)間內(nèi)有沒有發(fā)生沖突棍丐，如果沒有其他線程在修改資源秘案，那么操作完成茬缩，如果發(fā)現(xiàn)有其他線程已經(jīng)修改過這個(gè)資源处面，就放棄本次操作智绸。

放棄后如何重試，這跟業(yè)務(wù)場景息息相關(guān)憎茂，雖然重試的成本很高，但是沖突的概率足夠低的話馋评，還是可以接受的捧韵。

可見芒篷，樂觀鎖的心態(tài)是篡帕，不管三七二十一，先改了資源再說败砂。另外沧竟，你會發(fā)現(xiàn)樂觀鎖全程并沒有加鎖，所以它也叫無鎖編程闪水。

這里舉一個(gè)場景例子：在線文檔衡招。

我們都知道在線文檔可以同時(shí)多人編輯的，如果使用了悲觀鎖，那么只要有一個(gè)用戶正在編輯文檔，此時(shí)其他用戶就無法打開相同的文檔了握玛，這用戶體驗(yàn)當(dāng)然不好了够傍。

那實(shí)現(xiàn)多人同時(shí)編輯甫菠，實(shí)際上是用了樂觀鎖，它允許多個(gè)用戶打開同一個(gè)文檔進(jìn)行編輯冕屯，編輯完提交之后才驗(yàn)證修改的內(nèi)容是否有沖突寂诱。

怎么樣才算發(fā)生沖突？這里舉個(gè)例子安聘，比如用戶 A 先在瀏覽器編輯文檔痰洒，之后用戶 B 在瀏覽器也打開了相同的文檔進(jìn)行編輯，但是用戶 B 比用戶 A 提交改動浴韭，這一過程用戶 A 是不知道的带迟，當(dāng) A 提交修改完的內(nèi)容時(shí)，那么 A 和 B 之間并行修改的地方就會發(fā)生沖突囱桨。

服務(wù)端要怎么驗(yàn)證是否沖突了呢？通常方案如下：

• 由于發(fā)生沖突的概率比較低嗅绰，所以先讓用戶編輯文檔舍肠，但是瀏覽器在下載文檔時(shí)會記錄下服務(wù)端返回的文檔版本號；

• 當(dāng)用戶提交修改時(shí)窘面，發(fā)給服務(wù)端的請求會帶上原始文檔版本號翠语，服務(wù)器收到后將它與當(dāng)前版本號進(jìn)行比較，如果版本號一致則修改成功财边，否則提交失敗肌括。

實(shí)際上，我們常見的 SVN 和 Git 也是用了樂觀鎖的思想酣难，先讓用戶編輯代碼谍夭，然后提交的時(shí)候，通過版本號來判斷是否產(chǎn)生了沖突憨募，發(fā)生了沖突的地方紧索，需要我們自己修改后，再重新提交菜谣。

樂觀鎖雖然去除了加鎖解鎖的操作珠漂，但是一旦發(fā)生沖突，重試的成本非常高尾膊，所以只有在沖突概率非常低媳危，且加鎖成本非常高的場景時(shí)，才考慮使用樂觀鎖冈敛。

總結(jié)

開發(fā)過程中待笑，最常見的就是互斥鎖的了，互斥鎖加鎖失敗時(shí)抓谴，會用「線程切換」來應(yīng)對滋觉，當(dāng)加鎖失敗的線程再次加鎖成功后的這一過程签夭，會有兩次線程上下文切換的成本，性能損耗比較大椎侠。

如果我們明確知道被鎖住的代碼的執(zhí)行時(shí)間很短第租，那我們應(yīng)該選擇開銷比較小的自旋鎖，因?yàn)樽孕i加鎖失敗時(shí)我纪，并不會主動產(chǎn)生線程切換慎宾，而是一直忙等待，直到獲取到鎖浅悉，那么如果被鎖住的代碼執(zhí)行時(shí)間很短趟据，那這個(gè)忙等待的時(shí)間相對應(yīng)也很短。

如果能區(qū)分讀操作和寫操作的場景术健，那讀寫鎖就更合適了汹碱，它允許多個(gè)讀線程可以同時(shí)持有讀鎖，提高了讀的并發(fā)性荞估。根據(jù)偏袒讀方還是寫方咳促，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(qiáng)勘伺，但是寫線程會被餓死跪腹，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飞醉，那為了避免饑餓的問題冲茸，于是就有了公平讀寫鎖，它是用隊(duì)列把請求鎖的線程排隊(duì)缅帘，并保證先入先出的原則來對線程加鎖轴术，這樣便保證了某種線程不會被餓死，通用性也更好點(diǎn)钦无。

互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖膳音，讀寫鎖可以根據(jù)場景來選擇這兩種鎖其中的一個(gè)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

另外铃诬，互斥鎖祭陷、自旋鎖、讀寫鎖都屬于悲觀鎖趣席，悲觀鎖認(rèn)為并發(fā)訪問共享資源時(shí)兵志，沖突概率可能非常高，所以在訪問共享資源前宣肚，都需要先加鎖想罕。

相反的，如果并發(fā)訪問共享資源時(shí)，沖突概率非常低的話按价，就可以使用樂觀鎖惭适，它的工作方式是，在訪問共享資源時(shí)楼镐，不用先加鎖癞志，修改完共享資源后，再驗(yàn)證這段時(shí)間內(nèi)有沒有發(fā)生沖突框产，如果沒有其他線程在修改資源凄杯，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(gè)資源秉宿，就放棄本次操作戒突。

但是，一旦沖突概率上升描睦，就不適合使用樂觀鎖了膊存，因?yàn)樗鉀Q沖突的重試成本非常高。

不管使用的哪種鎖忱叭，我們的加鎖的代碼范圍應(yīng)該盡可能的小隔崎，也就是加鎖的粒度要小，這樣執(zhí)行速度會比較快窑多。再來，使用上了合適的鎖洼滚，就會快上加快了埂息。

寫在最后

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