多线程_锁

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锁概念

锁的分类

如何理解互斥锁、条件锁、读写锁以及自旋锁？

5000字 | 24张图带你彻底理解21种并发锁

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互斥锁和自旋锁

互斥锁和自旋锁是最底层的两种锁，其他的很多锁都是基于他们的实现。

当线程A获取到锁后，线程B再去获取锁，有两种处理方式:

1. 线程B循环的去尝试获取锁，直到获取成功为止即自旋锁

2. 线程B放弃获取锁，在锁空闲时，等待被唤醒，即互斥锁

互斥锁

互斥锁会释放当前线程的cpu，导致加锁的代码阻塞，直到线程再次被唤醒。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，存在一定的性能开销

while (抢锁(lock) == 没抢到) {睡眠直到锁状态改变再唤醒(lock)}

• 当线程加锁失败，内核会把线程的状态由“运行”设置为“睡眠”，让出cpu

• 当锁空闲时，内核唤醒线程，状态设置为“就绪”，获取cpu执行

自旋锁

自旋锁会自用户态由应用程序完成，不涉及用户态到内核态的转化，没有线程上下文切换，性能相对较好，自旋锁加锁过程:

while (抢锁(lock) == 没抢到) {}

• 查看锁的状态

• 锁空闲，获取锁，否则执行(1)

自旋锁会利用cpu一直工作直到获取到锁，中间不会释放cpu，但如果被锁住的代码执行时间较长，导致cpu空转，浪费资源

读写锁

读写锁由读锁和写锁组成：

• 读锁又称为共享锁，S锁

• 写锁又称为排它锁、X锁，在mysql的事务中大量使用

写锁是独占锁，一旦线程获取写锁，其他线程不能获取写锁和读锁。

读锁是共享锁，当线程获取读锁，其他线程可以获取读锁不能获取写锁。因为并发数据读取并不会改变共享数据导致数据不一致。读写锁把对共享资源的读操作和写操作分别加锁控制，能够提高读线程的并发性，适用于读多写少的场景。

读优先锁、写优先锁、公平读写锁

读优先锁

读优先锁希望的是读锁能够被更多的线程获取，可以提高读线程的并发性。线程A获取了读锁，线程B想获取写锁，此时会被阻塞，线程c可以继续获取读锁，直到A和c释放锁，线程B才可以获取写锁。如果有很多线程获取读锁，且加锁的代码执行时间很长，就到导致线程B永远获取不到写锁。

写优先锁

写优先锁希望的是写锁能够被优先获取。线程A获取了读锁，线程B想获取写锁，此时会被阻塞，后面获取读锁都会失败，线程A释放锁，线程B可以获取写锁，其他获取读锁的线程阻塞。如果有很多写线程获取写锁，且加锁的代码执行时间很长，就到导致读线程永远获取不到读锁。

公平读写锁

上面两种锁都会造成【饥饿】现象，为解决这种问题，可以增加一个队列，把获取锁的线程（不管是写线程还是读线程）按照先进先出的方式排队，每次从队列中取出一个线程获取锁，这种获取锁的方式是公平的。

乐观锁和悲观锁

乐观锁

乐观锁是先修改共享资源，再用历史数据和当前数据比对验证这段时间共享数据有没有被修改，如果没有被修改，那么更新数据，如果有其他线程更新了共享资源，需要重新获取数据，再更新，验证，循环往复的重试，直到更新成功。所以当数据更新操作比较频繁，数据冲突的概率就会比较大，重试的次数就会多，浪费CPU资源。 乐观锁其实全程没有加锁，也叫无锁编程，所以针对读多写少的场景，并发性能较高，典型的实现MVCC，mysql中会使用MVCC构建一致性读来保证可重复读。

悲观锁

悲观锁是在访问共享资源之前统统加锁。当并发冲突概率较高时，乐观锁不再适用，悲观锁就派上用场。互斥锁、自旋锁都是悲观锁的实现。

惊群问题

[框架]高并发中的惊群效应

当你往一群鸽子中间扔一块食物，虽然最终只有一个鸽子抢到食物，但所有鸽子都会被惊动来争夺，没有抢到食物的鸽子只好回去继续睡觉， 等待下一块食物到来。这样，每扔一块食物，都会惊动所有的鸽子，即为惊群。

简单地说：就是扔一块食物，所有鸽子来抢，但最终只一个鸽子抢到了食物。 语义分析：食物只有一块，最终只有一个鸽子抢到，但是惊动了所有鸽子，每个鸽子都跑过来，消耗了每个鸽子的能量。（这个很符合达尔文的进化论，物种之间的竞争，适者生存。）

操作系统的惊群

在多进程/多线程等待同一资源时，也会出现惊群。即当某一资源可用时，多个进程/线程会惊醒，竞争资源。这就是操作系统中的惊群。

1. 惊醒所有进程/线程，导致n-1个进程/线程做了无效的调度，上下文切换，cpu瞬时增高

2. 多个进程/线程争抢资源，所以涉及到同步问题，需对资源进行加锁保护，加解锁加大系统CPU开销

惊群的几种情况

在高并发（多线程/多进程/多连接）中，会产生惊群的情况有：

1. accept惊群

2. epoll惊群

3. nginx惊群

4. 线程池惊群

线程池惊群

在多线程设计中，经常会用到互斥和条件变量的问题。当一个线程解锁并通知其他线程的时候，就会出现惊群的现象。

pthread_mutex_lock/pthread_mutex_unlock：线程互斥锁的加锁及解锁函数。 pthread_cond_wait：线程池中的消费者线程等待线程条件变量被通知； pthread_cond_signal/pthread_cond_broadcast：生产者线程通知线程池中的某个或一些消费者线程池，接收处理任务； 这里的惊群现象出现在3里，pthread_cond_signal，语义上看，是通知一个线程。调用此函数后，系统会唤醒在相同条件变量上等待的一个或多个线程（可参看手册）。如果通知了多个线程，则发生了惊群。

正常的用法：

1. 所有线程共用一个锁，共用一个条件变量

2. 当pthread_cond_signal通知时，就可能会出现惊群

解决惊群的方法：

1. 所有线程共用一个锁，每个线程有自已的条件变量

2. pthread_cond_signal通知时，定向通知某个线程的条件变量，不会出现惊群