线程中的锁

线程中的锁

  • 一、互斥锁与自旋锁
    • 互斥锁
    • 自旋锁
    • 互斥锁和自旋锁的比较
  • 二、读写锁
    • 读优先锁
    • 写优先锁
    • 公平读写锁
  • 三、乐观锁与悲观锁

一、互斥锁与自旋锁

互斥锁

互斥锁是⼀种独占锁,比如当线程 A 加锁成功后,此时互斥锁已经被线程A独占了,只要线程A没有释放手中的锁,线程B加锁就会失败,于是就会释放 CPU让给其他线程,既然线程B释放掉了CPU,自然线程B加锁的代码就会被阻塞。
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。当加锁失败时,内核会将线程置为睡眠状态,等到锁被释放后,内核会在合适的时机唤醒线程,当这个线程成功获取到锁后,于是就可以继续执行。
互斥锁加锁失败时,会从用户态陷⼊到内核态,让内核帮我们切换线程,虽然简化了使用锁的难 度,但是存在⼀定的性能开销成本。
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。 上下切换的耗时有大佬统计过,大概在几十纳秒到几微秒之间,如果你锁住的代码执行时间比较短,那可能上下文切换的时间都比你锁住的代码执行时间还要长。 所以,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

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

自旋锁是最比较简单的⼀种锁,⼀直自旋,利用CPU周期,直到锁可用。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执行的时间是成正比的关系。

互斥锁和自旋锁的比较

已经有⼀个线程加锁后,其他线程加锁则就会失败,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
  • 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

二、读写锁

读写锁由读锁和写锁两部分构成,如果只读取共享资源用读锁加锁,如果要修改共享资源则用写锁加锁。 所以,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

  • 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。

读写锁在读多写少的场景,能发挥出优势。

读优先锁

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,它的工作方式是:当读线程A先持有了读锁,写线程 B 在获取写锁的时候,会被阻塞,并且在阻塞过程中,后续来的读线程C仍然可以成功获取读锁,最后直到读线程A和C释放读锁后,写线程B才可以成功获取写锁。

写优先锁

写优先锁是优先服务写线程,其工作方式是:当读线程A先持有了读锁,写线程B在获取写锁的时候, 会被阻塞,并且在阻塞过程中,后续来的读线程C获取读锁时会失败,于是读线程C将被阻塞在获取读锁的操作,这样只要读线程A释放读锁后,写线程B就可以成功获取读锁。

公平读写锁

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,也不会出现饥饿现象。

三、乐观锁与悲观锁

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,它的⼯作⽅式是: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。

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