面試官：你說說互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖、悲觀鎖、樂觀鎖的應用場景
本文轉載自微信公眾號「小林coding」，作者小林coding 。轉載本文請聯系小林coding公眾號。
前言
生活中用到的鎖，用途都比較簡單粗暴，上鎖基本是為了防止外人進來、電動車被偷等等。
但生活中也不是沒有 BUG 的，比如加鎖的電動車在「廣西 - 竊·格瓦拉」面前，鎖就是形同虛設，只要他愿意，他就可以輕輕松松地把你電動車給「順走」，不然打工怎么會是他這輩子不可能的事情呢?牛逼之人，必有牛逼之處。
那在編程世界里，「鎖」更是五花八門，多種多樣，每種鎖的加鎖開銷以及應用場景也可能會不同。
如何用好鎖，也是程序員的基本素養之一了。
高并發的場景下，如果選對了合適的鎖，則會大大提高系統的性能，否則性能會降低。
所以，知道各種鎖的開銷，以及應用場景是很有必要的。
接下來，就談一談常見的這幾種鎖：
正文
多線程訪問共享資源的時候，避免不了資源競爭而導致數據錯亂的問題，所以我們通常為了解決這一問題，都會在訪問共享資源之前加鎖。
最常用的就是互斥鎖，當然還有很多種不同的鎖，比如自旋鎖、讀寫鎖、樂觀鎖等，不同種類的鎖自然適用于不同的場景。
如果選擇了錯誤的鎖，那么在一些高并發的場景下，可能會降低系統的性能，這樣用戶體驗就會非常差了。
所以，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，還需要分析業務場景中訪問的共享資源的方式，再來還要考慮并發訪問共享資源時的沖突概率。
對癥下藥，才能減少鎖對高并發性能的影響。
那接下來，針對不同的應用場景，談一談「互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖、樂觀鎖、悲觀鎖」的選擇和使用。
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」，有很多高級的鎖都是基于它們實現的，你可以認為它們是各種鎖的地基，所以我們必須清楚它倆之間的區別和應用。
加鎖的目的就是保證共享資源在任意時間里，只有一個線程訪問，這樣就可以避免多線程導致共享數據錯亂的問題。
當已經有一個線程加鎖后，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，線程會釋放 CPU ，給其他線程;
- 自旋鎖加鎖失敗后，線程會忙等待，直到它拿到鎖;
互斥鎖是一種「獨占鎖」，比如當線程 A 加鎖成功后，此時互斥鎖已經被線程 A 獨占了，只要線程 A 沒有釋放手中的鎖，線程 B 加鎖就會失敗，于是就會釋放 CPU 讓給其他線程，既然線程 B 釋放掉了 CPU，自然線程 B 加鎖的代碼就會被阻塞。
對于互斥鎖加鎖失敗而阻塞的現象，是由操作系統內核實現的。當加鎖失敗時，內核會將線程置為「睡眠」狀態，等到鎖被釋放后，內核會在合適的時機喚醒線程，當這個線程成功獲取到鎖后，于是就可以繼續執行。如下圖：
所以，互斥鎖加鎖失敗時，會從用戶態陷入到內核態，讓內核幫我們切換線程，雖然簡化了使用鎖的難度，但是存在一定的性能開銷成本。
那這個開銷成本是什么呢?會有兩次線程上下文切換的成本：
- 當線程加鎖失敗時，內核會把線程的狀態從「運行」狀態設置為「睡眠」狀態，然后把 CPU 切換給其他線程運行;
- 接著，當鎖被釋放時，之前「睡眠」狀態的線程會變為「就緒」狀態，然后內核會在合適的時間，把 CPU 切換給該線程運行。
線程的上下文切換的是什么?當兩個線程是屬于同一個進程，因為虛擬內存是共享的，所以在切換時，虛擬內存這些資源就保持不動，只需要切換線程的私有數據、寄存器等不共享的數據。
上下切換的耗時有大佬統計過，大概在幾十納秒到幾微秒之間，如果你鎖住的代碼執行時間比較短，那可能上下文切換的時間都比你鎖住的代碼執行時間還要長。
所以，如果你能確定被鎖住的代碼執行時間很短，就不應該用互斥鎖，而應該選用自旋鎖，否則使用互斥鎖。
自旋鎖是通過 CPU 提供的 CAS 函數(Compare And Swap)，在「用戶態」完成加鎖和解鎖操作，不會主動產生線程上下文切換，所以相比互斥鎖來說，會快一些，開銷也小一些。
一般加鎖的過程，包含兩個步驟：
- 第一步，查看鎖的狀態，如果鎖是空閑的，則執行第二步;
- 第二步，將鎖設置為當前線程持有;
CAS 函數就把這兩個步驟合并成一條硬件級指令，形成原子指令，這樣就保證了這兩個步驟是不可分割的，要么一次性執行完兩個步驟，要么兩個步驟都不執行。
使用自旋鎖的時候，當發生多線程競爭鎖的情況，加鎖失敗的線程會「忙等待」，直到它拿到鎖。這里的「忙等待」可以用 while 循環等待實現，不過最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令來實現「忙等待」，因為可以減少循環等待時的耗電量。
自旋鎖是最比較簡單的一種鎖，一直自旋，利用 CPU 周期，直到鎖可用。需要注意，在單核 CPU 上，需要搶占式的調度器(即不斷通過時鐘中斷一個線程，運行其他線程)。否則，自旋鎖在單 CPU 上無法使用，因為一個自旋的線程永遠不會放棄 CPU。
自旋鎖開銷少，在多核系統下一般不會主動產生線程切換，適合異步、協程等在用戶態切換請求的編程方式，但如果被鎖住的代碼執行時間過長，自旋的線程會長時間占用 CPU 資源，所以自旋的時間和被鎖住的代碼執行的時間是成「正比」的關系，我們需要清楚的知道這一點。
自旋鎖與互斥鎖使用層面比較相似，但實現層面上完全不同：當加鎖失敗時，互斥鎖用「線程切換」來應對，自旋鎖則用「忙等待」來應對。
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來實現，比如讀寫鎖既可以選擇互斥鎖實現，也可以基于自旋鎖實現。
讀寫鎖：讀和寫還有優先級區分?
讀寫鎖從字面意思我們也可以知道，它由「讀鎖」和「寫鎖」兩部分構成，如果只讀取共享資源用「讀鎖」加鎖，如果要修改共享資源則用「寫鎖」加鎖。
所以，讀寫鎖適用于能明確區分讀操作和寫操作的場景。
讀寫鎖的工作原理是：
- 當「寫鎖」沒有被線程持有時，多個線程能夠并發地持有讀鎖，這大大提高了共享資源的訪問效率，因為「讀鎖」是用于讀取共享資源的場景，所以多個線程同時持有讀鎖也不會破壞共享資源的數據。
- 但是，一旦「寫鎖」被線程持有后，讀線程的獲取讀鎖的操作會被阻塞，而且其他寫線程的獲取寫鎖的操作也會被阻塞。
所以說，寫鎖是獨占鎖，因為任何時刻只能有一個線程持有寫鎖，類似互斥鎖和自旋鎖，而讀鎖是共享鎖，因為讀鎖可以被多個線程同時持有。
知道了讀寫鎖的工作原理后，我們可以發現，讀寫鎖在讀多寫少的場景，能發揮出優勢。
另外，根據實現的不同，讀寫鎖可以分為「讀優先鎖」和「寫優先鎖」。
讀優先鎖期望的是，讀鎖能被更多的線程持有，以便提高讀線程的并發性，它的工作方式是：當讀線程 A 先持有了讀鎖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，并且在阻塞過程中，后續來的讀線程 C 仍然可以成功獲取讀鎖，最后直到讀線程 A 和 C 釋放讀鎖后，寫線程 B 才可以成功獲取讀鎖。如下圖：
而寫優先鎖是優先服務寫線程，其工作方式是：當讀線程 A 先持有了讀鎖，寫線程 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，并且在阻塞過程中，后續來的讀線程 C 獲取讀鎖時會失敗，于是讀線程 C 將被阻塞在獲取讀鎖的操作，這樣只要讀線程 A 釋放讀鎖后，寫線程 B 就可以成功獲取讀鎖。如下圖：
讀優先鎖對于讀線程并發性更好，但也不是沒有問題。我們試想一下，如果一直有讀線程獲取讀鎖，那么寫線程將永遠獲取不到寫鎖，這就造成了寫線程「饑餓」的現象。
寫優先鎖可以保證寫線程不會餓死，但是如果一直有寫線程獲取寫鎖，讀線程也會被「餓死」。
既然不管優先讀鎖還是寫鎖，對方可能會出現餓死問題，那么我們就不偏袒任何一方，搞個「公平讀寫鎖」。
公平讀寫鎖比較簡單的一種方式是：用隊列把獲取鎖的線程排隊，不管是寫線程還是讀線程都按照先進先出的原則加鎖即可，這樣讀線程仍然可以并發，也不會出現「饑餓」的現象。
互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖，讀寫鎖可以根據場景來選擇這兩種鎖其中的一個進行實現。
樂觀鎖與悲觀鎖：做事的心態有何不同?
前面提到的互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖，都是屬于悲觀鎖。
悲觀鎖做事比較悲觀，它認為多線程同時修改共享資源的概率比較高，于是很容易出現沖突，所以訪問共享資源前，先要上鎖。
那相反的，如果多線程同時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，再驗證這段時間內有沒有發生沖突，如果沒有其他線程在修改資源，那么操作完成，如果發現有其他線程已經修改過這個資源，就放棄本次操作。
放棄后如何重試，這跟業務場景息息相關，雖然重試的成本很高，但是沖突的概率足夠低的話，還是可以接受的。
可見，樂觀鎖的心態是，不管三七二十一，先改了資源再說。另外，你會發現樂觀鎖全程并沒有加鎖，所以它也叫無鎖編程。
這里舉一個場景例子：在線文檔。
我們都知道在線文檔可以同時多人編輯的，如果使用了悲觀鎖，那么只要有一個用戶正在編輯文檔，此時其他用戶就無法打開相同的文檔了，這用戶體驗當然不好了。
那實現多人同時編輯，實際上是用了樂觀鎖，它允許多個用戶打開同一個文檔進行編輯，編輯完提交之后才驗證修改的內容是否有沖突。
怎么樣才算發生沖突?這里舉個例子，比如用戶 A 先在瀏覽器編輯文檔，之后用戶 B 在瀏覽器也打開了相同的文檔進行編輯，但是用戶 B 比用戶 A 提交改動，這一過程用戶 A 是不知道的，當 A 提交修改完的內容時，那么 A 和 B 之間并行修改的地方就會發生沖突。
服務端要怎么驗證是否沖突了呢?通常方案如下：
- 由于發生沖突的概率比較低，所以先讓用戶編輯文檔，但是瀏覽器在下載文檔時會記錄下服務端返回的文檔版本號;
- 當用戶提交修改時，發給服務端的請求會帶上原始文檔版本號，服務器收到后將它與當前版本號進行比較，如果版本號一致則修改成功，否則提交失敗。
實際上，我們常見的 SVN 和 Git 也是用了樂觀鎖的思想，先讓用戶編輯代碼，然后提交的時候，通過版本號來判斷是否產生了沖突，發生了沖突的地方，需要我們自己修改后，再重新提交。
樂觀鎖雖然去除了加鎖解鎖的操作，但是一旦發生沖突，重試的成本非常高，所以只有在沖突概率非常低，且加鎖成本非常高的場景時，才考慮使用樂觀鎖。
總結
開發過程中，最常見的就是互斥鎖的了，互斥鎖加鎖失敗時，會用「線程切換」來應對，當加鎖失敗的線程再次加鎖成功后的這一過程，會有兩次線程上下文切換的成本，性能損耗比較大。
如果我們明確知道被鎖住的代碼的執行時間很短，那我們應該選擇開銷比較小的自旋鎖，因為自旋鎖加鎖失敗時，并不會主動產生線程切換，而是一直忙等待，直到獲取到鎖，那么如果被鎖住的代碼執行時間很短，那這個忙等待的時間相對應也很短。
如果能區分讀操作和寫操作的場景，那讀寫鎖就更合適了，它允許多個讀線程可以同時持有讀鎖，提高了讀的并發性。根據偏袒讀方還是寫方，可以分為讀優先鎖和寫優先鎖，讀優先鎖并發性很強，但是寫線程會被餓死，而寫優先鎖會優先服務寫線程，讀線程也可能會被餓死，那為了避免饑餓的問題，于是就有了公平讀寫鎖，它是用隊列把請求鎖的線程排隊，并保證先入先出的原則來對線程加鎖，這樣便保證了某種線程不會被餓死，通用性也更好點。
互斥鎖和自旋鎖都是最基本的鎖，讀寫鎖可以根據場景來選擇這兩種鎖其中的一個進行實現。
另外，互斥鎖、自旋鎖、讀寫鎖都屬于悲觀鎖，悲觀鎖認為并發訪問共享資源時，沖突概率可能非常高，所以在訪問共享資源前，都需要先加鎖。
相反的，如果并發訪問共享資源時，沖突概率非常低的話，就可以使用樂觀鎖，它的工作方式是，在訪問共享資源時，不用先加鎖，修改完共享資源后，再驗證這段時間內有沒有發生沖突，如果沒有其他線程在修改資源，那么操作完成，如果發現有其他線程已經修改過這個資源，就放棄本次操作。
但是，一旦沖突概率上升，就不適合使用樂觀鎖了，因為它解決沖突的重試成本非常高。
不管使用的哪種鎖，我們的加鎖的代碼范圍應該盡可能的小，也就是加鎖的粒度要小，這樣執行速度會比較快。再來，使用上了合適的鎖，就會快上加快了。
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