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  • 【Java面试高频-锁体系】- 互斥锁自旋锁的区别是什么?
    2021-05-13 10:32:02

    互斥锁(mutexlock)

    在访问共享资源之前对其进行加锁操作,在访问完成之后进行解锁操作。加锁后,任何其它试图再次加锁的线程都会被阻塞,直到当前线程解锁。

    在这种方式下,只有一个线程能够访问被互斥锁保护的资源。

    一次只能一个线程拥有互斥锁,其它线程只有等待。

    自旋锁(spinlock)

    自旋锁是一种特殊的互斥锁,当资源被加锁后,其它线程想要再次加锁,此时该线程不会被阻塞睡眠而是陷入循环等待状态(CPU不能做其它事情),循环检查资源持有者是否已经释放了资源,这样做的好处是减少了线程从睡眠到唤醒的资源消耗,但会一直占用CPU的资源。

    锁的区别

    互斥锁的起始开销要高于自旋锁,但是基本上是一劳永逸,临界区持锁时间的大小并不会对互斥锁的开销造成影响,而自旋锁是死循环检测,加锁全程消耗cpu,起始开销虽然低于互斥锁,但是随着持锁时间,加锁的开销是线性增长。

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    互斥锁

    互斥锁(mutex)又叫互斥量,从本质上说是一把锁,在访问共享资源之前对互斥锁进行上锁,在访问完成后释放互斥锁(解锁);对互斥锁进行上锁之后,任何其它试图再次对互斥锁进行加锁的线程都会被阻塞,直到当前线程释放互斥锁。如果释放互斥锁时有一个以上的线程阻塞,那么这些阻塞的线程会被唤醒,它们都会尝试对互斥锁进行加锁,当有一个线程成功对互斥锁上锁之后,其它线程就不能再次上锁了,只能再次陷入阻塞,等待下一次解锁。

    在我们的程序设计当中,只有将所有线程访问共享资源都设计成相同的数据访问规则,互斥锁才能正常工作。如果允许其中的某个线程在没有得到锁的情况下也可以访问共享资源,那么即使其它的线程在使用共享资源前都申请锁,也还是会出现数据不一致的问题。互斥锁使用 pthread_mutex_t 数据类型表示,在使用互斥锁之前,必须首先对它进行初始化操作。

    自旋锁

    自旋锁与互斥锁很相似,从本质上说也是一把锁,在访问共享资源之前对自旋锁进行上锁,在访问完成后释放自旋锁(解锁);事实上,从实现方式上来说,互斥锁是基于自旋锁来实现的,所以自旋锁相较于互斥锁更加底层。

    如果在获取自旋锁时,自旋锁处于未锁定状态,那么将立即获得锁(对自旋锁上锁);如果在获取自旋锁时,自旋锁已经处于锁定状态了,那么获取锁操作将会在原地“自旋”,直到该自旋锁的持有者释放了锁。由此介绍可知,自旋锁与互斥锁相似,但是互斥锁在无法获取到锁时会让线程陷入阻塞等待状态;而自旋锁在无法获取到锁时,将会在原地“自旋”等待。“自旋”其实就是调用者一直在循环查看该自旋锁的持有者是否已经释放了锁,“自旋”一词因此得名。

    自旋锁的不足之处在于:自旋锁一直占用的 CPU,它在未获得锁的情况下,一直处于运行状态(自旋),所以占着 CPU,如果不能在很短的时间内获取锁,这无疑会使 CPU 效率降低。

    试图对同一自旋锁加锁两次必然会导致死锁,而试图对同一互斥锁加锁两次不一定会导致死锁,原因在于互斥锁有不同的类型,当设置为PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 类型时,会进行错误检查,第二次加锁会返回错误,所以不会进入死锁状态。

    因此我们要谨慎使用自旋锁,自旋锁通常用于以下情况:需要保护的代码段执行时间很短,这样就会使得持有锁的线程会很快释放锁,而“自旋”等待的线程也只需等待很短的时间;在这种情况下就比较适合使用自旋锁,效率高!

    自旋锁与互斥锁之间的区别

    • 实现方式上的区别:互斥锁是基于自旋锁而实现的,所以自旋锁相较于互斥锁更加底层;
    • 开销上的区别:获取不到互斥锁会陷入阻塞状态(休眠),直到获取到锁时被唤醒;而获取不到自旋锁会在原地“自旋”,直到获取到锁;休眠与唤醒开销是很大的,所以互斥锁的开销要远高于自旋锁、自旋锁的效率远高于互斥锁;但如果长时间的“自旋”等待,会使得 CPU 使用效率降低,故自旋锁不适用于等待时间比较长的情况。
    • 使用场景的区别:自旋锁在用户态应用程序中使用的比较少,通常在内核代码中使用比较多;因为自旋锁可以在中断服务函数中使用,而互斥锁则不行,在执行中断服务函数时要求不能休眠、不能被抢占(内核中使用自旋锁会自动禁止抢占),一旦休眠意味着执行中断服务函数时主动交出了CPU使用权,休眠结束时无法返回到中断服务函数中,这样就会导致死锁!
    • 最底层的两种就是「互斥锁和自旋锁」,有很多高级的锁都是基于它们实现,可以认为它们是各种锁的地基,所以得清楚它俩之间的区别和应用。加锁的目的是保证共享资源在任意时间里,只有一个线程访问,这样就可以避免多线程导致共享数据错乱的问题。当已经有一个线程加锁后,其他线程加锁则会失败,互斥锁和自旋锁对于加锁失败后的处理方式是不一样的。

    读写锁

    互斥锁或自旋锁要么是加锁状态、要么是不加锁状态,而且一次只有一个线程可以对其加锁。读写锁有3 种状态:读模式下的加锁状态(以下简称读加锁状态)、写模式下的加锁状态(以下简称写加锁状态)和不加锁状态(见),一次只有一个线程可以占有写模式的读写锁,但是可以有多个线程同时占有读模式的读写锁。因此可知,读写锁比互斥锁具有更高的并行性!
    在这里插入图片描述
    读写锁有如下两个规则:

    • 当读写锁处于写加锁状态时,在这个锁被解锁之前,所有试图对这个锁进行加锁操作(不管是以读模式加锁还是以写模式加锁)的线程都会被阻塞。
    • 当读写锁处于读加锁状态时,所有试图以读模式对它进行加锁的线程都可以加锁成功;但是任何以写模式对它进行加锁的线程都会被阻塞,直到所有持有读模式锁的线程释放它们的锁为止。

    虽然各操作系统对读写锁的实现各不相同,但当读写锁处于读模式加锁状态,而这时有一个线程试图以写模式获取锁时,该线程会被阻塞;而如果另一线程以读模式获取锁,则会成功获取到锁,对共享资源进行读操作。

    所以,读写锁非常适合于对共享数据读的次数远大于写的次数的情况。当读写锁处于写模式加锁状态时,它所保护的数据可以被安全的修改,因为一次只有一个线程可以在写模式下拥有这个锁;当读写锁处于读模式加锁状态时,它所保护的数据就可以被多个获取读模式锁的线程读取。所以在应用程序当中,使用读写锁实现线程同步,当线程需要对共享数据进行读操作时,需要先获取读模式锁(对读模式锁进行加锁),当读取操作完成之后再释放读模式锁(对读模式锁进行解锁);当线程需要对共享数据进行写操作时,需要先获取到写模式锁,当写操作完成之后再释放写模式锁。

    读写锁也叫做共享互斥锁。当读写锁是读模式锁住时,就可以说成是共享模式锁住。当它是写模式锁住时,就可以说成是互斥模式锁住。

    文件锁

    现象一下,当两个人同时编辑磁盘中同一份文件时,其后果将会如何呢?在 Linux 系统中,该文件的最后状态通常取决于写该文件的最后一个进程。多个进程同时操作同一文件,很容易导致文件中的数据发生混乱,因为多个进程对文件进行 I/O 操作时,容易产生竞争状态、导致文件中的内容与预想的不一致!

    对于有些应用程序,进程有时需要确保只有它自己能够对某一文件进行 I/O 操作,在这段时间内不允许其它进程对该文件进行 I/O 操作。为了向进程提供这种功能,Linux 系统提供了文件锁机制。

    前面学习过互斥锁、自旋锁以及读写锁,文件锁与这些锁一样,都是内核提供的锁机制,锁机制实现用于对共享资源的访问进行保护;只不过互斥锁、自旋锁、读写锁与文件锁的应用场景不一样,互斥锁、自旋锁、读写锁主要用在多线程环境下,对共享资源的访问进行保护,做到线程同步。

    而文件锁,顾名思义是一种应用于文件的锁机制,当多个进程同时操作同一文件时,我们怎么保证文件数据的正确性,linux 通常采用的方法是对文件上锁,来避免多个进程同时操作同一文件时产生竞争状态。譬如进程对文件进行 I/O 操作时,首先对文件进行上锁,将其锁住,然后再进行读写操作;只要进程没有对文件进行解锁,那么其它的进程将无法对其进行操作;这样就可以保证,文件被锁住期间,只有它(该进程)可以对其进行读写操作。

    一个文件既然可以被多个进程同时操作,那说明文件必然是一种共享资源,所以由此可知,归根结底,文件锁也是一种用于对共享资源的访问进行保护的机制,通过对文件上锁,来避免访问共享资源产生竞争状态

    乐观锁与悲观锁

    前面提到的互斥锁、自旋锁、读写锁,都是属于悲观锁。悲观锁做事比较悲观,它认为多线程同时修改共享资源的概率比较高,于是很容易出现冲突,所以访问共享资源前,先要上锁。

    相反的,如果多线程同时修改共享资源的概率比较低,就可以采用乐观锁。乐观锁做事比较乐观,它假定冲突的概率很低,它的工作方式是:先修改完共享资源,再验证这段时间内有没有发生冲突,如果没有其他线程在修改资源,那么操作完成,如果发现有其他线程已经修改过这个资源,就放弃本次操作。

    放弃后如何重试,这跟业务场景息息相关,虽然重试的成本很高,但是冲突的概率足够低的话,还是可以接受的。可见,乐观锁的心态是,不管三七二十一,先改了资源再说。另外,你会发现乐观锁全程并没有加锁,所以它也叫无锁编程。

    举个例子

    在线文档是可以同时多人编辑,如果使用了悲观锁,只要有一个用户正在编辑文档,此时其他用户就无法打开相同的文档,用户体验当然不好。

    实现多人同时编辑,实际上是用了乐观锁,它允许多个用户打开同一个文档进行编辑,编辑完提交之后才验证修改的内容是否有冲突。

    怎么样才算发生冲突?这里举个例子,比如用户 A 先在浏览器编辑文档,之后用户 B 在浏览器也打开了相同的文档进行编辑,但是用户 B 比用户 A 提交改动,这一过程用户 A 是不知道的,当 A 提交修改完的内容时,那么 A 和 B 之间并行修改的地方就会发生冲突。

    服务端是如何解决这种冲突的

    由于发生冲突的概率比较低,所以先让用户编辑文档,但是浏览器在下载文档时会记录下服务端返回的文档版本号;当用户提交修改时,发给服务端的请求会带上原始文档版本号,服务器收到后将它与当前版本号进行比较,如果版本号一致则修改成功,否则提交失败。

    实际上,常见的 SVN 和 Git 也是用了乐观锁的思想,先让用户编辑代码,然后提交的时候,通过版本号来判断是否产生了冲突,发生了冲突的地方,需要我们自己修改后,再重新提交。

    乐观锁虽然去除了加锁解锁的操作,但一旦发生冲突,重试的成本非常高,所以只有在冲突概率非常低,且加锁成本非常高的场景时,才考虑使用乐观锁。

    总结

    互斥锁、自旋锁和读写锁用于解决多线程同步的问题

    文件锁适用于多个进程同时操作同一文件,这时很容易导致文件中的数据发生混乱

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  • 互斥锁自旋锁比较

    2021-06-24 16:20:52
    1、互斥锁自旋锁:各种锁的基锁 2、互斥锁(独占锁)加锁失败后,线程会释放 CPU ,给其他线程; 自旋锁加锁失败后,线程会忙等待(可以使用while实现,最好使用CPU提供的PAUSE指令(可以减少循环等待时的耗电量)...

    1、互斥锁和自旋锁:各种锁的基锁
    2、互斥锁(独占锁)加锁失败后,线程会释放 CPU ,给其他线程;
    自旋锁加锁失败后,线程会忙等待(可以使用while实现,最好使用CPU提供的PAUSE指令(可以减少循环等待时的耗电量)),直到它拿到锁;
    3、注意: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,虽然简化了使用锁的难度,但是存在一定的性能开销成本。

    一、这个开销成本就是会有两次线程上下文切换的成本。
    1、当线程加锁失败时,内核会把线程的状态从「运行」状态设置为「睡眠」状态,然后把 CPU 切换给其他线程运行;
    2、接着,当锁被释放时,之前「睡眠」状态的线程会变为「就绪」状态,然后内核会在合适的时间,把 CPU 切换给该线程运行。

    什么是线程的上下文切换:当两个线程是属于同一个进程,因为虚拟内存是共享的,所以在切换时,虚拟内存这些资源就保持不动,只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

    综上所述:如果你能确定被锁住的代码执行时间很短,就不应该用互斥锁,而应该选用自旋锁,否则使用互斥锁。

    二、自旋锁是通过 CPU 提供的 CAS 函数(Compare And Swap),在「用户态」完成加锁和解锁操作,不会主动产生线程上下文切换,所以相比互斥锁来说,会快一些,开销也小一些。

    叫CAS(Compare And Swap)。就是在并发很小的情况下,数据被意外修改的概率很低,但是又存在这种可能性,此时就用CAS。

    这里再解释下ABA问题,假如你睡觉前数据是5,醒来后数据还是5,并不能肯定数据没有被修改过。可能数据先被修改成8然后又改回到5,只是你不知道罢了。对于这个问题(加上标志位),其实也很好解决,再加一个版本号字段就行了,并规定只要修改数据,必须使版本号加1。

    CAS操作单个共享变量的时候可以保证原子的操作,多个变量就不行了,JDK 5之后 AtomicReference可以用来保证对象之间的原子性,就可以把多个对象放入CAS中操作。

    保证对象原子性:AtomicInteger举例,他的自增函数incrementAndGet()就是这样实现的,其中就有大量循环判断的过程,直到符合条件才成功。

    1. 线程1读取了数据A
    2. 线程2读取了数据A
    3. 线程2通过CAS比较,发现值是A没错,可以把数据A改成数据B
    4. 线程3读取了数据B
    5. 线程3通过CAS比较,发现数据是B没错,可以把数据B改成了数据A
    6. 线程1通过CAS比较,发现数据还是A没变,就写成了自己要改的值

    自旋锁的加锁步骤:
    第一步,查看锁的状态,如果锁是空闲的,则执行第二步;
    第二步,将锁设置为当前线程持有;

    自旋锁是最比较简单的一种锁,一直自旋,利用 CPU 周期,直到锁可用。需要注意,在单核 CPU 上,需要抢占式的调度器(即不断通过时钟中断一个线程,运行其他线程)。否则,自旋锁在单 CPU 上无法使用,因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。

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  • 互斥锁与自旋

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    互斥锁(Mutex) 互斥锁是一种实现线程同步的机制:当一个线程尝试获取互斥锁,如果互斥锁已经被占用则该线程会被挂起进入睡眠状态,直到被唤醒。线程被挂起时,CPU会将该线程当前的处理状态保存到内存中,等到唤醒时...

    互斥锁(Mutex)

    互斥锁是一种实现线程同步的机制:当一个线程尝试获取互斥锁,如果互斥锁已经被占用则该线程会被挂起进入睡眠状态,直到被唤醒。线程被挂起时,CPU会将该线程当前的处理状态保存到内存中,等到唤醒时从内存中读取上次的处理状态,这个CPU切换线程处理状态的过程被称为“上下文切换”。上下文切换是一个非常耗时的操作,它需要相当多的CPU指令才能完成。但在早期单核处理器中,只能通过这个方式来完成,毕竟一口锅不能同时炒两盘菜。

    自旋锁(Spinlock)

    多核处理器开始普及之后,使用互斥锁经常会出现一种尴尬的情况:一个线程因为尝试获取互斥锁失败而进入睡眠状态,但上下文切换还没完成或者说刚切换上下文没多久,另一个线程就已经释放了那个互斥锁。

    打个比方:现在酒店现在有两个厨师两口锅,厨师A正在炒红烧肉,厨师B正在炒辣椒,厨师A需要放盐了,但盐袋已经被厨师B拿去(厨师B正在放盐),这时厨师A把锅里的红烧肉暂时倒在盘里,等厨师B用完盐袋后,再继续炒自己的红烧肉,结果红烧肉刚倒入盘子里,厨师B已经把盐袋放回去了。

    很显然厨师A是个傻X,但在多核处理器中使用互斥锁就会出现这种尴尬局面。

    而如果厨师A并没有将红烧肉暂存在盘子中,而是一直在问厨师B:你还在用盐袋吗,你还在用盐袋吗……虽然这个时候厨师A仍然有这种一直追问的傻X行为,但这比起把红烧肉导入盘子里明显要明智的多。而这就是自旋锁干的事儿。

    自旋锁和互斥锁一样也是实现线程同步的一种机制:当一个线程尝试获取自旋锁时,如果自旋锁已经被占用则该线程会一直循环等待并反复检查锁是否可用,直到锁可用时才会退出循环。如果持有锁的线程很快就释放了并且线程竞争不激烈,那自旋的效率就非常好,反之,自旋就会白白浪费CPU的处理时间,这反而会带来性能上的损失。

    优缺点对比和适用场合

    用一句话概括互斥锁和自旋锁:互斥锁是睡等,自旋锁是忙等

    下面来说说它们的优缺点和适用场合。

    在单核CPU上使用自旋锁明显是没有意义的,因为轮询占用了唯一的一个CPU内核,其他线程就没法儿运行了。并且由于其他线程不可能运行,这个自旋锁也就不能解开,所以在单核CPU上,自旋锁就只会浪费时间。而如果在单核CPU上使用互斥锁,线程会因为获取锁失败而进入睡眠,这样另一个线程运行后,才可能释放互斥锁。

    在多核CPU上,大部分的锁只能维持很短的时间,如果使用互斥锁,这样将不断地“将线程挂起后又马上唤醒”,无疑会在上下文切换上浪费很多时间,这时合理的使用自旋锁就可以就可以减少这种情况的发生。特别是在服务器上,因为服务器上CPU是最早使用多核的,而且一个服务器多颗CPU也是正常的。当然并不是说在多核CPU上自旋锁就一定比互斥锁效率高,毕竟我们无法知道锁能维持多久,如果时间相对较长,自旋锁效率必定大打折扣。

    互斥锁与自旋锁的结合

    既然互斥锁与自旋锁各有优劣,我们可以把它们结合到一起:当一个线程获取锁失败,先让它自旋一段时间,一段时间过后还未能获取锁,再让它进入睡眠状态。这个过程的重点在于自旋时间的长短,过长可能退化成单纯的自旋锁,过短可能退化成互斥锁。

    在C++的标准库中有一个std::timed_mutex可以实现延迟互斥锁,它有一个try_lock_for方法就能自定义自旋时间。

    Java1.4.2引入自旋锁,使用-XX:+UseSpinning来开启。Java6中已经变为默认开启,并且引入了自适应的自旋锁。自适应意味着自旋的时间不在固定了,而是由前一次在同一个锁上的自旋时间及锁的拥有者的状态来决定。

    参考文章

    维基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/Lock_(computer_science)

    维基百科:https://en.wikipedia.org/wiki/Spinlock

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