你該懂的“鎖”知識！
你該懂的“鎖”知識！
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。
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前言
那在程式設計世界裡，「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，也是程式設計師的基本素養之一。在高併發的場景下，如果選對了合適的鎖，則會大大提高系統的效能，否則效能會降低。
多執行緒訪問共享資源的時候，避免不了資源競爭而導致資料錯亂的問題，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。
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，再來還要考慮併發訪問共享資源時的衝突概率。
對症下藥，才能減少鎖對高併發效能的影響。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。
一、互斥鎖與自旋鎖詳解
最底層的兩種就是會「互斥鎖和自旋鎖」，有很多高階的鎖都是基於它們實現的，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裡，只有一個執行緒訪問，這樣就可以避免多執行緒導致共享資料錯亂的問題。
當已經有一個執行緒加鎖後，其他執行緒加鎖則就會失敗，互斥鎖和自旋鎖對於加鎖失敗後的處理方式是不一樣的：
- 互斥鎖加鎖失敗後，執行緒會釋放 CPU，給其他執行緒；
- 自旋鎖加鎖失敗後，執行緒會忙等待，直到它拿到鎖；
互斥鎖是一種獨佔鎖，比如當執行緒 A 加鎖成功後，此時互斥鎖已經被執行緒 A 獨佔了，只要執行緒 A 沒有釋放手中的鎖，執行緒 B 加鎖就會失敗，於是就會釋放 CPU 讓給其他執行緒，既然執行緒 B 釋放掉了 CPU，自然執行緒 B 加鎖的程式碼就會被阻塞。
對於互斥鎖加鎖失敗而阻塞的現象，是由作業系統核心實現的。當加鎖失敗時，核心會將執行緒置為「睡眠」狀態，等到鎖被釋放後，核心會在合適的時機喚醒執行緒，當這個執行緒成功獲取到鎖後，於是就可以繼續執行。
所以，互斥鎖加鎖失敗時，會從使用者態陷入到核心態
那這個開銷成本是什麼呢？會有兩次執行緒上下文切換的成本：
- 當執行緒加鎖失敗時，核心會把執行緒的狀態從執行狀態設定為睡眠狀態，然後把 CPU 切換給其他執行緒執行；
- 接著，當鎖被釋放時，之前睡眠狀態的執行緒會變為就緒狀態，然後核心會在合適的時間，把 CPU 切換給該執行緒執行。
執行緒的上下文切換的是什麼？當兩個執行緒是屬於同一個程序，因為虛擬記憶體是共享的，所以在切換時，虛擬記憶體這些資源就保持不動，只需要切換執行緒的私有資料、暫存器等不共享的資料。所以，如果你能確定被鎖住的程式碼執行時間很短，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 函式（Compare And Swap），在使用者態完成加鎖和解鎖操作，不會主動產生執行緒上下文切換，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：
- 檢視鎖的狀態，如果鎖是空閒的，則執行第二步；
- 將鎖設定為當前執行緒持有；
CAS 函式就把這兩個步驟合併成一條硬體級指令，形成原子指令，這樣就保證了這兩個步驟是不可分割的，要麼一次性執行完兩個步驟，要麼兩個步驟都不執行。
使用自旋鎖的時候，當發生多執行緒競爭鎖的情況，加鎖失敗的執行緒會忙等待，直到它拿到鎖。這裡的忙等待可以用 while 迴圈等待實現，程式碼看起來像是個死迴圈，不過最好是使用 CPU 提供的 PAUSE 指令來實現，因為可以減少迴圈等待時的耗電量。
自旋鎖是最比較簡單的一種鎖，一直自旋，利用 CPU 週期，直到鎖可用。
需要注意，在單核 CPU 上，需要搶佔式的排程器（即不斷通過時鐘中斷一個執行緒，執行其他執行緒）。否則，自旋鎖在單 CPU
上無法使用，因為一個自旋的執行緒永遠不會放棄 CPU。
自旋鎖開銷少，在多核系統下一般不會主動產生執行緒切換，適合非同步、協程等在使用者態切換請求的程式設計方式，但如果被鎖住的程式碼執行時間過長，自旋的執行緒會長時間佔用 CPU 資源，所以自旋的時間和被鎖住的程式碼執行的時間是成「正比」的關係，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「執行緒切換」來應對，自旋鎖則用「忙等待」來應對。
二、讀寫鎖
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，讀寫鎖適用於能明確區分讀操作和寫操作的場景。
讀寫鎖的工作原理是：
- 當寫鎖沒有被執行緒持有時，多個執行緒能夠併發地持有讀鎖，這大大提高了共享資源的訪問效率，因為讀鎖是用於讀取共享資源的場景，所以多個執行緒同時持有讀鎖也不會破壞共享資源的資料。
- 但是，一旦寫鎖被執行緒持有後，讀執行緒的獲取讀鎖的操作會被阻塞，而且其他寫執行緒的獲取寫鎖的操作也會被阻塞。
所以說，寫鎖是獨佔鎖，因為任何時刻只能有一個執行緒持有寫鎖，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執行緒同時持有。
知道了讀寫鎖的工作原理後，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，讀鎖能被更多的執行緒持有，以便提高讀執行緒的併發性，它的工作方式是：當讀執行緒 A 先持有了讀鎖，寫執行緒 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，並且在阻塞過程中，後續來的讀執行緒 C 仍然可以成功獲取讀鎖，最後直到讀執行緒 A 和 C 釋放讀鎖後，寫執行緒 B才可以成功獲取讀鎖。
寫優先鎖是優先服務寫執行緒，其工作方式是：當讀執行緒 A 先持有了讀鎖，寫執行緒 B 在獲取寫鎖的時候，會被阻塞，並且在阻塞過程中，後續來的讀執行緒 C 獲取讀鎖時會失敗，於是讀執行緒 C 將被阻塞在獲取讀鎖的操作，這樣只要讀執行緒 A 釋放讀鎖後，寫執行緒 B 就可以成功獲取讀鎖。
公平讀寫鎖比較簡單的一種方式是：用佇列把獲取鎖的執行緒排隊，不管是寫執行緒還是讀執行緒都按照先進先出的原則加鎖即可，這樣讀執行緒仍然可以併發，也不會出現飢餓的現象。
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。
三、樂觀鎖與悲觀鎖
基本概念
樂觀鎖：在操作資料時非常樂觀，認為別人不會同時修改資料。因此樂觀鎖不會上鎖，只是在執行更新的時候判斷一下在此期間別人是否修改了資料：如果別人修改了資料則放棄操作，否則執行操作。另外，你會發現樂觀鎖全程並沒有加鎖，所以它也叫無鎖程式設計。
悲觀鎖：悲觀鎖在操作資料時比較悲觀，認為別人會同時修改資料。因此操作資料時直接把資料鎖住，直到操作完成後才會釋放鎖；上鎖期間其他人不能修改資料。
優缺點和適用場景
1、功能限制
與悲觀鎖相比，樂觀鎖適用的場景受到了更多的限制，無論是CAS還是版本號機制。
例如，CAS只能保證單個變數操作的原子性，當涉及到多個變數時，CAS是無能為力的，可以通過對整個程式碼塊加鎖來處理。再比如版本號機制，如果query的時候是針對表1，而update的時候是針對表2，也很難通過簡單的版本號來實現樂觀鎖。
2、競爭激烈程度
如果悲觀鎖和樂觀鎖都可以使用，那麼選擇就要考慮競爭的激烈程度：
當競爭不激烈 (出現併發衝突的概率小)時，樂觀鎖更有優勢，因為悲觀鎖會鎖住程式碼塊或資料，其他執行緒無法同時訪問，影響併發，而且加鎖和釋放鎖都需要消耗額外的資源。
當競爭激烈(出現併發衝突的概率大)時，悲觀鎖更有優勢，因為樂觀鎖在執行更新時頻繁失敗，需要不斷重試，浪費CPU資源。
四、CAS有哪些缺點？
1、ABA問題
假設有兩個執行緒——執行緒1和執行緒2，兩個執行緒按照順序進行以下操作：
(1)執行緒1讀取記憶體中資料為A；
(2)執行緒2將該資料修改為B；
(3)執行緒2將該資料修改為A；
(4)執行緒1對資料進行CAS操作
在第(4)步中，由於記憶體中資料仍然為A，因此CAS操作成功，但實際上該資料已經被執行緒2修改過了。這就是ABA問題。
在AtomicInteger的例子中，ABA似乎沒有什麼危害。但是在某些場景下，ABA卻會帶來隱患，例如棧頂問題：一個棧的棧頂經過兩次(或多次)變化又恢復了原值，但是棧可能已發生了變化。
對於ABA問題，比較有效的方案是引入版本號，記憶體中的值每發生一次變化，版本號都+1；在進行CAS操作時，不僅比較記憶體中的值，也會比較版本號，只有當二者都沒有變化時，CAS才能執行成功。
2、高競爭下的開銷問題
在併發衝突概率大的高競爭環境下，如果CAS一直失敗，會一直重試，CPU開銷較大。針對這個問題的一個思路是引入退出機制，如重試次數超過一定閾值後失敗退出。當然，更重要的是避免在高競爭環境下使用樂觀鎖。
3、功能限制
CAS的功能是比較受限的，例如CAS只能保證單個變數（或者說單個記憶體值）操作的原子性，這意味著：(1)原子性不一定能保證執行緒安全 (2)當涉及到多個變數(記憶體值)時，CAS也無能為力。
總結
不管使用的哪種鎖，我們的加鎖的程式碼範圍應該儘可能的小，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。