关于《0bug》一书锁描述的一处修订

最近在做《0bug-C/C++商用工程之道》的勘误表，重新审查了本书。

发现P41页，2.3小节关于锁的论述有点含混不清，决定予以修订。

主要问题出在我是用32bits的数字在举例子，说明会分两个16bits先后存放，这在16bits的机器上是正确的，但是在目前32bits系统大行其道的今天，其实已经不准确了，因此，重新修订，使用64bits的数字来举例子，基本就能说清楚问题了。

前文已经说明，在商用数据传输中，面临的是一个并行的开发环境，同步和异步处理是软件研发的技术核心。而对于多任务操作系统而言，异步转同步最常用的工具，就是“锁”。

“锁”有很多形式，如临界区，信号量，等等。本书为了理解方便，统一称为“锁”。

2.3.1   为什么要使用锁

锁的由来，起源于CPU对内存的操作。我们知道，不管CPU如何进步，16位到32位，再到现在的64位，其实主要说的是两点，一个是int或者long这个变量类型，即整型数，代表的位数，这表明了计算机一次运算中能处理的最大数字。一个是CPU的地址寄存器，由于位数的增加，使可以连续编址，同时访问到的内存空间在大幅度扩大。

但不管怎么变化，我们发现，计算机的内存，其实还是以字节（Byte）在计数，即8位二进制，是一个内存单元。CPU每个时钟周期，至少能通过总线访问到1个字节。

我们以32位CPU下的32位操作系统举例，比如说，我们需要对一个8字节的64位 long型数字做加法计算，CPU会一次从内存先读入4个字节的数据，这是CPU一次能处理的极限位宽，然后做加法运算，然后将数字存回内存，下一周期，CPU会再次读入另外4个字节的数据，做进位累加等计算。

但这就带来一个问题，由于是多任务环境并行运算，这个加法计算可能会被打断，比如一个计算，我们把0x 0000 0000 FFFF FFFF做加1的计算，结果应该是0x 0000 0001 0000 0000。

但实际运行时，当CPU仅仅做了低4字节的加法计算，写回内存后，尚未来得及做第二步计算，将进位累加到高4字节时，如果此时发生操作系统的任务切换，有其他线程切进来读取这个数字，这个数字就变成了旧的高32位+新的低32位， 0x 0000 0000 0000 0000，这显然是个错误的数字。

此时，很不幸，正好切进来读取该数字的线程，读到了一个明显非法的结果，而依赖这个数据的后续计算，就都不对了，严重的，如果这个单元是一个指针的话，就可能导致程序直接崩溃。如下图。

 

 

图2.7：内存跨线程争用错误演示

 

    这种错误非常可怕，通常都是“写”的线程“犯错误”，而“读”的线程崩溃，bug点不是制造事故的第一责任人，因此很难从错误点来跟踪源头，这类错误，一般都应该从程序设计的一开始就小心谨慎，尽量避免。

多任务操作系统针对这个问题，提出的解决方案就是加锁。加锁事实上是一种宣告，告知操作系统和CPU，本线程的下面几个动作不能被打断，直到解锁为止。

因此，当两个线程都按照“加锁-访问-解锁”这个顺序做事时，如果第一个线程加锁后，第二个线程试图访问加锁的资源，则被系统悬挂等待，直到锁解除后，才可以继续执行，这样就能确保读到正确的数据。如图2.8

 

 

图2.8：使用锁规避内存争用bug演示

 

    由此可见，使用锁，是不同线程访问相同资源的必要条件，否则程序的运行结果将不可知。

在商用工程领域，这个“锁”的概念还可以进一步抽象，经常是我们处理一笔复杂业务，需要连续几个动作不能打断，这时候，也可以使用锁这个概念。

但这个时候，锁的形式就多种多样了，可以是一个上面提到的操作系统原子锁，也可以是一个字节的内存单元实现（1字节的操作不会被打断），也可以是一个数据库的锁定动作，甚至，可以专门设计一台锁服务器，协调服务器集群中，各个业务服务器之间的同步协调。

 

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肖舸 《0bug-C/C++商用工程之道》
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