簡介

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。

 互斥鎖與自旋鎖

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。如下圖：

所以，互斥鎖加鎖失敗時，會從使用者態陷入到核心態，讓核心幫我們切換執行緒，雖然簡化了使用鎖的難度，但是存在一定的效能開銷成本。

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。

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，如果你鎖住的程式碼執行時間比較短，那可能上下文切換的時間都比你鎖住的程式碼執行時間還要長。

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：

• 第一步，檢視鎖的狀態，如果鎖是空閒的，則執行第二步;
• 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，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。

它倆是鎖的最基本處理方式，更高階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，也可以基於自旋鎖實現。