如何理解互斥锁、条件变量、读写锁以及自旋锁？

发表于 2年以前 | 总阅读数：403 次

锁是一个常见的同步概念，我们都听说过加锁（lock）或者解锁（unlock），当然学术一点的说法是获取（acquire）和释放（release）。

恰好pthread包含这几种锁的API，而C++11只包含其中的部分。接下来我主要通过pthread的API来展开本文。

mutex（互斥量）

mutex（mutual exclusive）即互斥量（互斥体）。也便是常说的互斥锁。尽管名称不含lock，但是称之为锁，也是没有太大问题的。mutex无疑是最常见的多线程同步方式。其思想简单粗暴，多线程共享一个互斥量，然后线程之间去竞争。得到锁的线程可以进入临界区执行代码。

// 声明一个互斥量
pthread_mutex_t mtx;
// 初始化
pthread_mutex_init(&mtx, NULL);
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mtx);
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mtx);
// 销毁
pthread_mutex_destroy(&mtx);

mutex是睡眠等待（sleep waiting）类型的锁，当线程抢互斥锁失败的时候，线程会陷入休眠。优点就是节省CPU资源，缺点就是休眠唤醒会消耗一点时间。另外自从Linux 2.6版以后，mutex完全用futex的API实现了，内部系统调用的开销大大减小。

值得一提的是，pthread的锁一般都有一个trylock的函数，比如对于互斥量：


ret = pthread_mutex_trylock(&mtx);
if (0 == ret) { // 加锁成功
    ...
    pthread_mutex_unlock(&mtx);
} else if(EBUSY == ret){ // 锁正在被使用;
    ...
}

pthread_mutex_trylock用于以非阻塞的模式来请求互斥量。就好比各种IO函数都有一个noblock的模式一样，对于加锁这件事也有类似的非阻塞模式。

当线程尝试加锁时，如果锁已经被其他线程锁定，该线程就会阻塞住，直到能成功acquire。但有时候我们不希望这样。pthread_mutex_trylock在被其他线程锁定时，会返回特殊错误码。加锁成返回0，仅当成功但时候，我们才能解锁在后面进行解锁操作！

C++11开始引入了多线程库，其中也包含了互斥锁的API：std::muxtex 。

此外，依据同一线程是否能多次加锁，把互斥量又分为如下两类：

是：称为『递归互斥量』recursive mutex ，也称『可重入锁』reentrant lock
否：即『非递归互斥量』non-recursive mute），也称『不可重入锁』non-reentrant mutex

若同一线程对非递归的互斥量多次加锁，可能会造成死锁。递归互斥量则无此风险。C++11中有递归互斥量的API：std::recursive_mutex。对于pthread则可以通过给mutex添加PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE 属性的方式来使用递归互斥量：


// 声明一个互斥量
pthread_mutex_t mtx;
// 声明一个互斥量的属性变量
pthread_mutexattr_t mtx_attr;

// 初始化互斥量的属性变量
pthread_mutexattr_init(&mtx_attr);
// 设置递归互斥量的属性
pthread_mutexattr_settype(&mtx_attr, PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE);

// 把属性赋值给互斥量
pthread_mutext_init(&mtx, &mutext_attr);

然而对于递归互斥量或者说可重入锁的使用则需要克制。Stevens大神生前在《APUE》中说『使用好它是十分tricky的，仅当没有其他解决方案时才使用』。

可重入锁这个概念和称呼的走俏多半是Java语言的功劳。

condition variable（条件变量）

请注意条件变量不是锁，它是一种线程间的通讯机制，并且几乎总是和互斥量一起使用的。所以互斥量和条件变量二者一般是成套出现的。比如C++11中也有条件变量的API： std::condition_variable。

对于pthread：


// 声明一个互斥量
pthread_mutex_t mtx;
// 声明一个条件变量
pthread_cond_t cond;
...

// 初始化
pthread_mutex_init(&mtx, NULL);
pthread_cond_init(&cond, NULL);

// 加锁
pthread_mutex_lock(&mtx);
// 加锁成功，等待条件变量触发
pthread_cond_wait(&cond, &mtx);

...
// 加锁
pthread_mutex_lock(&mtx);
pthread_cond_signal(&cond);
...
// 解锁
pthread_mutex_unlock(&mtx);
// 销毁
pthread_mutex_destroy(&mtx)

pthread_cond_wait函数会把条件变量和互斥量都传入。并且多线程调用的时候条件变量和互斥量一定要一一对应，不能一个条件变量在不同线程中wait的时候传入不同的互斥量。否则是未定义结果。

关于是先解锁互斥量还是先进行条件变量的通知，是另外一个比较大的议题。有种论断说：先解锁互斥量再通知条件变量可以减少多余的上下文切换，进而提高效率。这种说法是基于一种实现假设：先通知条件变量，再解锁。可能让其他等待条件变量的线程被唤醒了，但是此时互斥量还没解锁，从而再次陷入休眠。然而对于另外一些实现，比如Linux系统，则通过等待变形（wait morphing）解决了这一问题。所以先通知再解锁也没用问题。

另外在使用条件变量的过程中有个稍微违反直觉的写法：那就是使用while而不是if来做判断状态是否满足。这样做的原因有二：

避免惊群；
避免某些情况下线程被虚假唤醒（即没有pthread_cond_signal就解除了阻塞）。

比如半同步/半reactor的网络模型中，在工作线程消费fd队列的时候：


while (1) {
    if (pthread_mutex_lock(&mtx) != 0) { // 加锁
        ... // 异常逻辑
    }
    while (!queue.empty()) {
        if (pthread_cond_wait(&cond, &mtx) != 0) {
            ... // 异常逻辑
        }
    }
    auto data = queue.pop();
    if (pthread_mutex_unlock(&mtx) != 0) { // 解锁
        ... // 异常逻辑
    }
    process(data); // 处理流程，业务逻辑
}

以上代码摘自我这篇文章：

[高山仰之可极，谈半同步/半异步网络并发模型] read-write lock（读写锁）

顾名思义『读写锁』就是对于临界区区分读和写。在读多写少的场景下，不加区分的使用互斥量显然是有点浪费的。此时便该上演读写锁的拿手好戏。

读写锁有一个别称叫『共享-独占锁』。不过单看『共享-独占锁』或者『读写锁』这两个名称，其实并未区分对于读和写，到底谁共享，谁独占。可能会让人误以为读写锁是一种更为泛化的称呼，其实不是。读写锁的含义是准确的：是一种读共享，写独占的锁。

读写锁的特性：

当读写锁被加了写锁时，其他线程对该锁加读锁或者写锁都会阻塞（不是失败）。
当读写锁被加了读锁时，其他线程对该锁加写锁会阻塞，加读锁会成功。

因而适用于多读少写的场景。


// 声明一个读写锁
pthread_rwlock_t rwlock;
...
// 在读之前加读锁
pthread_rwlock_rdlock(&rwlock);

... 共享资源的读操作

// 读完释放锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

// 在写之前加写锁
pthread_rwlock_wrlock(&rwlock);

... 共享资源的写操作

// 写完释放锁
pthread_rwlock_unlock(&rwlock);

// 销毁读写锁
pthread_rwlock_destroy(&rwlock);

其实加读锁和加写锁这两个说法可能会造成误导，让人误以为是有两把锁，其实读写锁是一个锁。所谓加读锁和加写锁，准确的说法可能是『给读写锁加读模式的锁定和加写模式的锁定』。

读写锁和互斥量一样也有trylock函数，也是以非阻塞地形式来请求锁，不会导致阻塞。

 pthread_rwlock_tryrdlock(&rwlock)
 pthread_rwlock_trywrlock(&rwlock)

C++11中有互斥量、条件变量但是并没有引入读写锁。而在C++17中出现了一种新锁：std::shared_mutex。用它可以模拟实现出读写锁。demo代码可以直接参考cppreference：

https://en.cppreference.com/w/cpp/thread/shared_mutex

另外多读少写的场景有些特殊场景，可以用特殊的数据结构减少锁使用：

多读单写的线性数据。用数组实现环形队列，避免vector等动态扩张的数据结构，写在结尾，由于单写因而可以不加锁；读在开头，由于多读（避免重复消费）所以需要加一下锁（互斥量就行）。
多读单写的KV。可以使用双缓冲（double buffer）的数据结构来实现。double buffer同名的概念比较多，这里指的是foreground 和 backgroud 两个buffer进行切换的『0 - 1切换』技术。比如实现动态加载（热加载）配置文件的时候。可能会在切换间隙加一个短暂的互斥量，但是基本可以认为是lock free的。

我一张口，你就会发现：无非是空间换时间的老套路了。

spinlock（自旋锁）

自旋之名颇为玄妙，第一次听闻常让人略觉高大。但和无数个好似『故意把简单概念复杂化』的计算机术语一样，自旋锁的本质简单的难以置信。

要了解自旋锁，首先了解自旋。什么是自旋（spin）呢？更为通俗的一个词是『忙等待』（busy waiting）。最最通俗的一个理解，其实就是死循环……。

单看使用方法和使用互斥量的代码是差不多的。只不过自旋锁不会引起线程休眠。当共享资源的状态不满足的时候，自旋锁会不停地循环检测状态。因为不会陷入休眠，而是忙等待的方式也就不需要条件变量。

这是优点也是缺点。不休眠就不会引起上下文切换，但是会比较浪费CPU。


// 声明一个自旋锁变量
pthread_spinlock_t spinlock;

// 初始化
pthread_spin_init(&spinlock, 0);

// 加锁
pthread_spin_lock(&spinlock);

// 解锁
pthread_spin_unlock(&spinlock);

// 销毁
pthread_spin_destroy(&spinlock);

pthread_spin_init函数的第二个参数名为pshared（int类型）。表示的是是否能进程间共享自旋锁。这被称之为Thread Process-Shared Synchronization。互斥量的通过属性也可以把互斥量设置成进程间共享的。pshared有两个枚举值：

PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：仅同进程下读线程可以使用该自旋锁
PTHREAD_PROCESS_SHARED：不同进程下的线程可以使用该自旋锁

在Linux上的glibc中这两个枚举值分别是0和1（Mac上不是）。所以通常也会看到直接传0的代码。你可能觉得不使用宏，直接用数字硬编码不是一个好习惯。的确，妥妥的Magic Number，但还有一个有趣的事实你需要了解：并不是所有实现都支持自旋锁设置pshared。比如：


int pthread_spin_init (pthread_spinlock_t *lock, int pshared) {
    /* Relaxed MO is fine because this is an initializing store.  */
    atomic_store_relaxed (lock, 0);
    return0;
}

所以直接传0可能也无伤大雅。

自旋锁 VS 互斥量+条件变量孰优孰劣？肯定要看具体的使用场景，（我好像在说片汤话）。当你不知道在你的使用场景下这两种锁该用哪个的时候，那就是用互斥量吧！或者通过压测的判断，不过大多数时候我们好像并不需要这么一个pthread的自旋锁，知友们可以提供一些自旋锁的使用参考。