锁和原子化

锁

概念解析

悲观锁 / 乐观锁

特性	悲观锁	乐观锁
核心思想	认为并发冲突很可能发生，先加锁再操作数据。	认为冲突较少发生，直接操作数据，提交时检查冲突。
实现方式	synchronized、ReentrantLock、数据库行锁。	CAS、版本号机制（如数据库 version 字段）。
适用场景	写操作频繁、竞争激烈。	读多写少、低竞争环境。
性能开销	锁管理（获取/释放）开销大。	无锁，但冲突重试可能增加开销。

1. CAS（Compare-And-Swap）

• 定义：
  CAS 是一种无锁（Lock-Free）的原子操作，用于在多线程环境中实现同步。它的操作逻辑是：
  只有当变量的当前值与预期值一致时，才将其更新为新值。整个过程是原子性的，确保线程安全。是 乐观锁。

• 伪代码表示：

  boolean CAS(V, expected, newValue) {
      if (V.value == expected) {
          V.value = newValue;
          return true;
      }
      return false;
  }

• 应用场景：

  • 实现无锁数据结构（如无锁队列、栈）。
  • Java 中的 AtomicInteger、AtomicReference 等原子类。
  • 数据库乐观锁（通过版本号机制）。

• 优缺点：

  • ✅ 避免锁开销，适用于低竞争场景。
  • ❌ 高竞争时可能导致大量自旋（CPU 空转）。
  • ❌ ABA 问题（可通过版本号或标记解决）。

2. 自旋锁（Spin Lock）

• 定义：
  线程在尝试获取锁时，若锁已被占用，会通过循环（自旋）不断检查锁状态，而非立即阻塞。
  属于悲观锁的一种实现（默认会有竞争，需主动获取锁）。

• 适用场景：
  锁持有时间极短（如内核短临界区），避免线程切换的开销。

• 伪代码示例：

  while (!tryAcquireLock()) {
      // 自旋等待，占用 CPU
  }

• 优缺点：

  • ✅ 无上下文切换，响应快。
  • ❌ 占用 CPU 资源，不适合长时间阻塞。

3. 互斥锁（Mutex Lock）

• 定义：
  线程获取锁失败时，会进入阻塞状态（让出 CPU），等待锁释放后被唤醒。
  也属于悲观锁，但通过线程休眠避免 CPU 浪费。

• 适用场景：
  锁持有时间较长或竞争激烈的情况。

• 伪代码示例：

  acquireLock();
  try {
      // 操作共享资源
  } finally {
      releaseLock();
  }

• 优缺点：

  • ✅ 不占用 CPU 资源。
  • ❌ 线程切换带来额外开销。

4. 读写锁（Read-write Lock）

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总结

• CAS：乐观锁的基石，通过原子性比较-交换避免锁开销，需处理 ABA 问题。
• 自旋锁：悲观锁的一种，通过忙等待减少切换开销，适合短临界区。
• 互斥锁：悲观锁的典型，通过阻塞线程节省 CPU，适合长临界区。
• 选择策略：
  • 低竞争、快速操作 → 乐观锁（CAS）。
  • 高竞争、短临界区 → 自旋锁。
  • 高竞争、长临界区 → 互斥锁。

原子化

cmpxchg: Compare and Exchange

通过 EAX 寄存器存储预期值，并与内存或寄存器中的目标值比较，若相等则交换为新值。

原子化操作 = 加锁

条件变量

• 通常，临界区代码只有在特定条件满足时才需要执行。
• 这时可以使用条件变量：
  • 线程先获取临界区的锁，然后调用条件变量等待条件成立。
  • 等待线程会原子性地释放锁并进入休眠状态。
  • 若有多个等待线程，它们将被放入队列。
  • 当收到 signal_all 信号时，其中一个被唤醒的线程会重新获取锁。
• 这种方式比不断轮询锁状态以检查条件是否满足更高效。
• wait(cond, lock)
  • 原子性地释放锁并休眠。唤醒时尝试重新获取锁。
• signal(cond)
  • 唤醒一个在 cond 上等待的休眠线程。
• signal_all(cond)
  • 唤醒所有在 cond 上等待的休眠线程。