使用 python 实现简单的共享锁和排他锁

本文通过代码实操讲解了如何使用 python 实现简单的共享锁和排他锁。

上篇文章回顾：记一次容量提升5倍的HttpDns业务Cache调优

共享锁和排它锁

1、什么是共享锁

共享锁又称为读锁。

从多线程的角度来讲，共享锁允许多个线程同时访问资源，但是对写资源只能又一个线程进行。

从事务的角度来讲，若事务 T 对数据 A 加上共享锁，则事务 T 只能读 A； 其他事务也只能对数据 A 加共享锁，而不能加排他锁，直到事务 T 释放 A 上的 S 锁。这就保证了其他事务可以读 A，但是在事务 T 释放 A 上的共享锁之前，不能对 A 做任何修改。

2、什么是排它锁

排他锁又成为写锁。

从多线程的角度来讲，在访问共享资源之前对进行加锁操作，在访问完成之后进行解锁操作。 加锁后，任何其他试图再次加锁的线程会被阻塞，直到当前进程解锁。如果解锁时有一个以上的线程阻塞，那么所有该锁上的线程都被编程就绪状态， 第一个变为就绪状态的线程又执行加锁操作，那么其他的线程又会进入等待。 在这种方式下，只有一个线程能够访问被互斥锁保护的资源。

从事务的角度来讲，若事务T对数据对象A加上排它锁，则只允许T读取和修改数据A，其他任何事务都不能再对A加任何类型的锁，直到事务T释放X锁。它可以防止其他事务获取资源上的锁，直到事务末尾释放锁。

InnoDB 中的行锁

InnoDB实现了以下两种类型的行锁：

共享锁（S）：允许一个事务去读一行，阻止其他事务获得相同数据集的排他锁。 

排他锁（X）：允许获得排他锁的事务更新数据，阻止其他事务取得相同数据集的共享读锁和排他写锁。

另外，为了允许行锁和表锁共存，实现多粒度锁机制，InnoDB 还有两种内部使用的意向锁（Intention Locks），这两种意向锁都是表锁。

意向共享锁（IS）：事务打算给数据行加行共享锁，事务在给一个数据行加共享锁前必须先取得该表的 IS 锁。

意向排他锁（IX）：事务打算给数据行加行排他锁，事务在给一个数据行加排他锁前必须先取得该表的 IX 锁。

如果一个事务请求的锁模式与当前的锁兼容，InnoDB 就将请求的锁授予该事务；反之，如果两者不兼容，该事务就要等待锁释放。

意向锁是 InnoDB 自动加的，不需用户干预。对于 UPDATE、DELETE 和 INSERT 语句，InnoDB 会自动给涉及数据集加排他锁（X）；对于普通SELECT语句，InnoDB 不会加任何锁；事务可以通过以下语句显示给记录集加共享锁或排他锁。

共享锁（S）：

SELECT * FROM table_name WHERE ... LOCK IN SHARE MODE

排他锁（X）：

SELECT * FROM table_name WHERE ... FOR UPDATE

用 SELECT ... IN SHARE MODE获得共享锁，主要用在需要数据依存关系时来确认某行记录是否存在，并确保没有人对这个记录进行UPDATE或者DELETE操作。但是如果当前事务也需要对该记录进行更新操作，则很有可能造成死锁，对于锁定行记录后需要进行更新操作的应用，应该使用 SELECT... FOR UPDATE 方式获得排他锁。

使用Python实现

1、代码实现

不多说，直接上代码：

# -*- coding: utf-8 -*-import threadingclass Source:

# 队列成员标识
__N = None

# 排他锁
__X = 0
# 意向排他锁
__IX = 1
# 共享锁标识
__S = 2
# 意向共享标识
__IS = 3

# 同步排他锁
__lockX = threading.Lock()
# 事件通知
__events = [
threading.Event(),
threading.Event(),
threading.Event(),
threading.Event()
]
# 事件通知队列
__eventsQueue = [
[],
[],
[],
[]
]
# 事件变更锁
__eventsLock = [
threading.Lock(),
threading.Lock(),
threading.Lock(),
threading.Lock()
]
# 相互互斥的锁
__mutexFlag = {}

# 锁类
class __ChildLock:

# 锁标识
__flag = 0
# 锁定的资源
__source = None

def __init__(self, source, flag):
self.__flag = flag
self.__source = source

# 加锁
def lock(self):
self.__source.lock(self.__flag)

# 解锁
def unlock(self):
self.__source.unlock(self.__flag)

def __init__(self):
self.__initMutexFlag()
self.__initEvents()

# 不建议直接在外面使用，以免死锁
def lock(self, flag):
# 如果是排他锁，先进进行枷锁
if flag == self.__X: self.__lockX.acquire()
self.__events[flag].wait()
self.__lockEvents(flag)

# 不建议直接在外面使用，以免死锁
def unlock(self, flag):
self.__unlockEvents(flag)
if flag == self.__X: self.__lockX.release()

# 获取相互互斥
def __getMutexFlag(self, flag):
return self.__mutexFlag[flag]

def __initMutexFlag(self):
self.__mutexFlag[self.__X] = [self.__X, self.__IX, self.__S, self.__IS]
self.__mutexFlag[self.__IX] = [self.__X, self.__S]
self.__mutexFlag[self.__S] = [self.__X, self.__IX]
self.__mutexFlag[self.__IS] = [self.__X]

def __initEvents(self):
for event in self.__events:
event.set()

# 给事件加锁， 调用 wait 时阻塞
def __lockEvents(self, flag):
mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag)
for i in mutexFlags:
# 为了保证原子操作，加锁
self.__eventsLock[i].acquire()
self.__eventsQueue[i].append(self.__N)
self.__events[i].clear()
self.__eventsLock[i].release()
# 给事件解锁， 调用 wait 不阻塞
def __unlockEvents(self, flag):
mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag)
for i in mutexFlags:
# 为了保证原子操作，加锁
self.__eventsLock[i].acquire()
self.__eventsQueue[i].pop(0)
if len(self.__eventsQueue[i]) == 0: self.__events[i].set()
self.__eventsLock[i].release()

# 获取锁
def __getLock(self, flag):
lock = self.__ChildLock(self, flag)
lock.lock()
return lock

# 获取 X 锁
def lockX(self):
return self.__getLock(self.__X)

# 获取 IX 锁
def lockIX(self):
return self.__getLock(self.__IX)

# 获取 S 锁
def lockS(self):
return self.__getLock(self.__S)

# 获取 IS 锁
def lockIS(self):
return self.__getLock(self.__IS)

使用方式：

from lock import Source
# 初始化一个锁资源
source = Source()
# 获取资源的X锁，获取不到则线程被阻塞，获取到了继续往下执行
lock = source.lockX()
lock.unlock()

lock = source.lockIX()
lock.unlock()
lock = source.lockS()
lock.unlock()
lock = source.lockIS()
lock.unlock()

2、实现思路

以 S 锁为例，获取锁的步骤如下：

• 检测 S 锁是否可以取到，取到了话继续执行，没有取到则阻塞，等待其他线程解锁唤醒。

• 获取与 S 锁相互冲突的锁（IX，X），并将 IX 锁和 X 锁 锁住，后续想获得 IX 锁或者 X 锁的线程就会被阻塞。

• 向 IX 锁和 X 锁的标识队列插入标识，如果此时另外一个线程拿到了 IS 锁，则会继续想 IX 锁队列标识插入标识。

• 完成加锁，返回 S 锁。

以 S 锁为例，解锁的步骤如下：

• 获取与 S 锁相互冲突的锁（IX，X），向 IX 锁和 X 锁的标识队列移除一个标识。

• 判断 IX 锁和 X 锁队列标识是否为空，如果不为空，则继续锁定，为空则解锁并唤醒被 IX 锁和 X 锁阻塞的线程。

• 完成 S 锁解锁。

3、锁兼容测试

测试代码

# -*- coding: utf-8 -*-
import threading
import time
from lock import Source

# 初始化资源
source= Source()
maplockname=['X','IX','S','IS']

class MyThread(threading,Thread):
flag = None

def __init__(self, flag):
super().__init__()
self.flag = flag def run(self):
lock = self.lock()
time1 = time.time()
strtime1 = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime(time1))
print('我拿到 %s 锁，开始执行了喔，现在时间是 %s' % (maplockname[self.flag], strtime1))
time.sleep(1)

time2 = time.time()
strtime2 = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime(time2))
print('我释放 %s 锁，结束执行了，现在时间是 %s' % (maplockname[self.flag], strtime2))
lock.unlock()
def lock(self):
if self.flag == 0:
return source.lockX()
elif self.flag == 1:
return source.lockIX()
elif self.flag == 2:
return source.lockS()
else:
return source.lockIS()

def unlock(self, lock):
lock.unlock()def test_lock():
for x in range(0, 4):
for y in range(0, 4):
time1 = time.time()
thread1 = MyThread(x)
thread2 = MyThread(y)
thread1.start()
thread2.start()
thread1.join()
thread2.join()

time2 = time.time()
difftime = time2 - time1
if difftime > 2:
print('%s 锁和 %s 锁 冲突了！' % (maplockname[x], maplockname[y]))
elif difftime > 1:
print('%s 锁和 %s 锁 没有冲突！' % (maplockname[x], maplockname[y]))
print('')if __name__ == '__main__':
test_lock()

运行结果：

我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:09
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:10
我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:10
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:11
X 锁和 X 锁 冲突了！

我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:11
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:12
我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:12
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:13
X 锁和 IX 锁 冲突了！

我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:13
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:14
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:14
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:15
X 锁和 S 锁 冲突了！

我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:15
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:16
我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:16
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:17
X 锁和 IS 锁 冲突了！

我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:17
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:18
我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:18
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:19
IX 锁和 X 锁 冲突了！

我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:19
我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:19
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:20
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:20
IX 锁和 IX 锁 没有冲突！

我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:20
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:21
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:21
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:22
IX 锁和 S 锁 冲突了！

我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:22
我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:22
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:23
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:23
IX 锁和 IS 锁 没有冲突！

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:23
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:24
我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:24
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:25
S 锁和 X 锁 冲突了！

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:25
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:26
我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:26
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:27
S 锁和 IX 锁 冲突了！

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:27
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:27
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:28
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:28
S 锁和 S 锁 没有冲突！

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:28
我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:28
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:29
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:29
S 锁和 IS 锁 没有冲突！

我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:29
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:30
我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:30
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:31
IS 锁和 X 锁 冲突了！

我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:31
我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:31
我释放 IX 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:32
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:32
IS 锁和 IX 锁 没有冲突！

我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:32
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:32
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:33
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:33
IS 锁和 S 锁 没有冲突！

我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:33
我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 18:38:33
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:34
我释放 IS 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 18:38:34
IS 锁和 IS 锁 没有冲突！

4、公平锁与非公平锁

（1）问题分析

仔细想了想，如果有一种场景，就是用户一直再读，写获取不到锁，那么不就造成脏读吗？这不就是由于资源的抢占不就是非公平锁造成的。如何避免这个问题呢？这就涉及到了公平锁与非公平锁。

对产生的结果来说，如果一个线程组里，能保证每个线程都能拿到锁，那么这个锁就是公平锁。相反，如果保证不了每个线程都能拿到锁，也就是存在有线程饿死，那么这个锁就是非公平锁。

（2）非公平锁测试

上述代码锁实现的是非公平锁，测试代码如下：

def test_fair_lock():
threads = []
for i in range(0, 10):
if i == 2:
# 0 代表排他锁（X）
threads.append(MyThread(0))
else:
# 2 代表共享锁（S）
threads.append(MyThread(2))
for thread in threads: thread.start()

运行结果：

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:33
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:06:34
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:06:35

可以看到由于资源抢占问题，排他锁被最后才被获取到了。

（3）公平锁的实现

实现公平锁，只需要在原有的代码进行小小得修改就行了。

class Source:

# ...... 省略
def __init__(self, isFair=False):
self.__isFair = isFair
self.__initMutexFlag()
self.__initEvents()
# ...... 省略
def lock(self, flag):
# 如果是排他锁，先进进行枷锁
if flag == self.__X: self.__lockX.acquire()
if self.__isFair:
# 如果是公平锁则，先将互斥的锁给阻塞，防止其他线程进入
self.__lockEventsWait(flag)
self.__events[flag].wait()
self.__lockEventsQueue(flag)
else:
# 如果是非公平锁，如果锁拿不到，则先等待
self.__events[flag].wait()
self.__lockEvents(flag)
def __lockEventsWait(self, flag):
mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag)
for i in mutexFlags:
# 为了保证原子操作，加锁
self.__eventsLock[i].acquire()
self.__events[i].clear()
self.__eventsLock[i].release()
def __lockEventsQueue(self, flag):
mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag)
for i in mutexFlags:
# 为了保证原子操作，加锁
self.__eventsLock[i].acquire()
self.__eventsQueue[i].append(self.__N)
self.__eventsLock[i].release()

测试代码：

source = Source(True)def test_fair_lock():
threads = []
for i in range(0, 10):
if i == 2:
# 0 代表排他锁（X）
threads.append(MyThread(0))
else:
# 2 代表共享锁（S）
threads.append(MyThread(2))

for thread in threads: thread.start()

运行结果：

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:16
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:16
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:17
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:17
我拿到 X 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:17
我释放 X 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我拿到 S 锁了，开始执行了喔，现在时间是 2019-02-17 19:35:18
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:19
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:19
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:19
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:19
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:19
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:19
我释放 S 锁了，结束执行了，现在时间是 2019-02-17 19:35:19

可以看到排他锁在第二次的时候就被获取到了。

（4）优缺点

非公平锁性能高于公平锁性能。首先，在恢复一个被挂起的线程与该线程真正运行之间存在着严重的延迟。而且，非公平锁能更充分的利用cpu的时间片，尽量的减少cpu空闲的状态时间。

参考文献：

共享锁(S锁）和排它锁（X锁）：https://www.jianshu.com/p/bd3b3ccedda9

Java多线程--互斥锁/共享锁/读写锁 快速入门：https://www.jianshu.com/p/87ac733fda80

Java多线程 -- 公平锁和非公平锁的一些思考：https://www.jianshu.com/p/eaea337c5e5b

MySQL－ InnoDB锁机制：https://www.cnblogs.com/aipiaoborensheng/p/5767459.html