并发安全之锁机制一

锁机制一

锁机制是计算机系统中解决并发冲突的核心工具，其存在和应用场景源于一个根本问题：当多个执行单元（线程、进程、分布式节点）同时访问或修改同一份共享资源时，如何保证数据的正确性、一致性和系统可靠性？

一、为什么需要锁？

想象以下场景，如果没有锁会发生什么：

  1. 银行存款取款（数据竞争）：
    • 线程A读取账户余额：100元。
    • 线程B读取账户余额：100元。
    • 线程A存入50元，计算新余额 100 + 50 = 150，写入150。
    • 线程B取出30元，计算新余额 100 - 30 = 70，写入70。
    • 结果： 最终余额是70元，而不是正确的120元 (100+50-30)。线程B的操作覆盖了线程A的操作，因为两者都基于旧的余额100元进行计算。这破坏了数据一致性。
  2. 订票系统（超卖问题）：
    • 剩余票数：1张。
    • 用户A和用户B同时点击购买。
    • 服务器进程A读取票数：1。
    • 服务器进程B读取票数：1。
    • 进程A判断有票，执行扣减：1-1=0，更新为0，出票成功。
    • 进程B判断有票，执行扣减：1-1=0，更新为0，出票成功。
    • 结果： 1张票卖给了两个人。这破坏了业务规则。
  3. 链表插入操作（数据结构损坏）：
    • 链表： Node1 -> Node2。
    • 线程A要在Node1和Node2之间插入NodeX。
    • 线程B要删除Node2。
    • 如果没有锁控制时序，可能导致：
      • 线程A刚让Node1指向NodeX（但NodeX还没指向Node2）。
      • 线程B删除Node2，让Node1（或前一个节点）指向Node2的下一个节点（可能是NULL）。
      • 结果：NodeX悬空或链表断裂。这破坏了数据结构完整性。

这些问题的根源在于：

  • 非原子操作： 像“读取-修改-写入”这样的复合操作，如果中间被其他操作打断，就会导致结果错误。
  • 操作交错的不可预测性： 多个操作以不同的顺序和时机交织执行（交错），会产生各种预期之外的结果。
  • 内存/缓存可见性问题： 一个线程对共享变量的修改可能不会立即被其他线程看到（由于CPU缓存的存在）。

锁就是解决这些问题的“协调员”：

  1. 实现互斥： 锁确保在同一时刻，只有一个执行单元能进入受保护的代码区域（临界区）访问或修改特定的共享资源。其他执行单元必须等待锁释放。
  2. 保证原子性： 对于复合操作（如余额增减、票数扣减、链表节点指针修改），锁可以将它们包装成一个不可分割的操作单元，在执行过程中不会被其他操作打断。
  3. 保障可见性： 在释放锁时，通常会强制将修改刷新到主内存；在获取锁时，通常会强制从主内存重新加载最新值。这确保了临界区内修改的结果对后续获得锁的执行单元是可见的。
  4. 维持顺序： 锁隐式地建立了操作的先后顺序，避免了破坏性交错的产生。

二、锁有哪些应用场景？

锁的应用极其广泛，存在于计算机系统的各个层面：

  1. 操作系统内核：
    • 保护内核数据结构： 进程表、文件描述符表、内存管理结构（如页表、空闲列表）、设备驱动状态等。多个CPU核心上的线程或中断处理程序都需要安全地访问这些全局结构。
    • 同步原语实现： 信号量、条件变量、屏障等同步机制本身就需要锁（通常是自旋锁）来保护其内部状态。
    • 设备访问： 确保同一时间只有一个进程/线程能向特定硬件设备（如打印机、特定端口）发送命令或数据。
  2. 多线程应用程序：
    • 保护共享内存变量： 计数器、标志位、配置参数等。
    • 保护复杂数据结构： 链表、哈希表、树、队列等。插入、删除、查找（如果查找可能触发修改）都需要锁来防止结构损坏。
    • 单例模式实现： 确保在多线程环境下，一个类只有一个实例被创建（通常使用互斥锁+双重检查锁定）。
    • 线程池任务队列： 多个工作线程从任务队列取任务，生产者线程向队列添加任务。队列本身需要锁保护。
    • 资源池管理： 如数据库连接池、线程池。分配和回收资源需要互斥操作。
    • 缓存同步： 更新和读取共享缓存数据时。
  3. 数据库管理系统：
    • 事务并发控制： 这是数据库锁最核心的应用。数据库使用各种粒度的锁（行锁、页锁、表锁、意向锁）和不同模式的锁（共享锁/S锁、排他锁/X锁）来实现不同的事务隔离级别，保证ACID特性（特别是隔离性I和一致性C）。
      • 行锁/记录锁： 防止两个事务同时修改同一条记录。
      • 间隙锁： 防止幻读（在范围查询中插入新记录）。
      • 表锁： 在特定操作（如ALTER TABLE）或行锁冲突升级时使用。
      • 死锁检测与处理： 数据库有专门的机制来处理事务间因循环等待锁而导致的死锁。
    • 索引维护： 对B+树等索引结构进行分裂、合并等操作时需要锁保护。
    • 缓存管理： 数据库缓冲池（Buffer Pool）的管理也需要锁机制。
  4. 文件系统：
    • 文件写入： 防止多个进程同时写入同一个文件导致内容混乱。通常使用文件锁（如flock, fcntl）。
    • 元数据更新： 修改文件的属性（如大小、权限、时间戳）、目录结构（创建、删除、重命名文件/目录）时需要锁保护，避免元数据不一致。
  5. 分布式系统：
    • 分布式锁： 在多个独立的服务器或进程之间协调对共享资源的访问。例如：
      • 防止多个节点同时执行同一个定时任务。
      • 确保在分布式环境中对某个全局配置项的修改是互斥的。
      • 实现分布式环境下的选主（Leader Election）。
      • 控制对共享存储（如分布式文件系统中的一个文件）的并发写入。
      • 常用实现： ZooKeeper, Redis (RedLock), etcd, Consul 等提供的分布式锁服务。这比单机锁复杂得多，需要处理网络延迟、节点故障、时钟漂移等问题。

三、常见的锁类型

  1. 互斥锁：

    • 特点： 最基本的锁类型。严格互斥，一次只允许一个持有者。
    • 行为： 如果一个线程试图获取已被持有的互斥锁，它将被阻塞（进入睡眠状态），直到锁被释放。操作系统会进行线程调度。
    • 用途： 保护需要绝对互斥访问的临界区。
    • 例子： pthread_mutex_t (POSIX), std::mutex (C++), synchronized 关键字修饰的方法或代码块 (Java 内部使用互斥锁), Lock (数据库中的排他锁)。

  2. 自旋锁：

    • 特点： 当尝试获取锁失败时，线程不会立即阻塞，而是在一个循环中不断检查锁的状态（“自旋”）。
    • 优点： 避免上下文切换的开销，对于预期等待时间非常短的场景效率高。
    • 缺点： 浪费CPU周期（忙等待），如果等待时间长，效率极低。
    • 用途： 多处理器系统，临界区非常小且执行时间极短，且持有锁的线程不太可能被抢占的场景（如内核中断处理）。
    • 例子： pthread_spinlock_t (POSIX), std::atomic_flag (C++ 可用于实现自旋锁), 底层硬件指令如 test-and-set, compare-and-swap。

  3. 读写锁：

    • 特点： 区分读操作和写操作。
      • 读锁： 允许多个读者同时持有。只要没有写者，读者就可以并发访问。
      • 写锁： 是排他的。一个写锁被持有时，不能有其他读者或写者。获取写锁通常需要等待所有现有的读者释放读锁。
    • 优点： 大幅提高读多写少场景的并发性能。
    • 缺点： 实现比互斥锁复杂；如果写操作频繁，可能导致读者或写者“饿死”（需要公平策略）。
    • 用途： 保护经常被读取但较少被修改的数据结构（如配置信息、缓存）。
    • 例子： pthread_rwlock_t (POSIX), std::shared_mutex (C++17), ReentrantReadWriteLock (Java), LOCK IN SHARE MODE / FOR SHARE (数据库共享锁), FOR UPDATE (数据库排他锁)。

  4. ‌悲观锁 vs 乐观锁‌

    ‌类型‌‌机制‌‌适用场景‌
    ‌悲观锁‌默认资源会被修改，访问前强制加锁（如行锁、表锁）写操作频繁的高冲突场景‌
    ‌乐观锁‌通过版本号或CAS算法检测冲突，提交时校验读多写少的低冲突场景（如电商库存）‌

CAS（Compare-And-Swap） 是一种关键的无锁（Lock-Free）编程原子操作，也是实现乐观并发控制的核心。它直接由大多数现代CPU提供硬件支持（通过特定的机器指令），用于在多线程/多处理器环境下安全地更新共享变量，而无需使用传统的互斥锁。

工作流程（从线程视角）

  1. 读取： 线程读取共享变量 V 的当前值，记为 current_value。
  2. 计算： 线程基于 current_value 计算出希望更新的新值 new_value。
  3. CAS尝试： 线程执行 CAS(V, current_value, new_value)。
    • 成功： 如果 V 的当前值仍然等于 current_value（意味着在此期间没有其他线程修改过 V），则 V 被原子地设置为 new_value，返回 true。线程的更新操作完成。
    • 失败： 如果 V 的当前值不等于 current_value（意味着在此期间有其他线程抢先修改了 V），则 CAS 什么也不做（不更新 V），返回 false。
  4. 失败处理： 如果 CAS 失败，线程通常不会阻塞，而是选择：
    • 放弃： 如果操作允许失败。
    • 重试（自旋）： 最常见的方式。线程回到步骤1，重新读取 V 的最新值作为新的 current_value，重新计算 new_value，然后再次尝试 CAS。这个循环（读取 -> 计算 -> CAS）会一直持续，直到 CAS 成功或达到某种退出条件（如重试次数上限）。

四、golang中的锁机制

在Go语言中，处理并发问题时通常优先考虑使用信道（channel），但在某些情况下，当信道无法解决问题时，就需要使用锁机制来处理共享内存的并发访问。Go语言提供了两种主要的锁类型：互斥锁（Mutex）和读写锁（RWMutex）。

1. 互斥锁（sync.Mutex）
  • 作用：确保同一时间只有一个goroutine访问共享资源。
  • 方法：
    • Lock()：获取锁（若锁被占用，则阻塞当前goroutine）
    • Unlock()：释放锁
  • 特点：
    • 不可重入：同一goroutine重复加锁会导致死锁。
    • 零值可用：未初始化的Mutex可直接使用。
var mu sync.Mutex
var counter intfunc increment() {mu.Lock()          // 加锁defer mu.Unlock()  // 确保解锁（推荐用defer避免忘记解锁）counter++
}
2. 读写锁（sync.RWMutex）
  • 适用场景：读多写少（如缓存系统）。
  • 方法：
    • RLock()：获取读锁（允许多个读并发）
    • RUnlock()：释放读锁
    • Lock()：获取写锁（独占，与读/写互斥）
    • Unlock()：释放写锁
  • 规则：
    • 写锁优先级高于读锁（防止读锁饿死写锁）
    • 持有读锁时无法升级为写锁
var rwMu sync.RWMutex
var data map[string]stringfunc read(key string) string {rwMu.RLock()         // 读锁defer rwMu.RUnlock()return data[key]
}func write(key, value string) {rwMu.Lock()          // 写锁defer rwMu.Unlock()data[key] = value
}
3. Mutex的优化机制
  • 自旋尝试：
    当锁被短期持有时，等待的goroutine会在用户态自旋尝试（约4次），避免立即进入休眠（减少上下文切换开销）。
  • 饥饿模式：
    若某个goroutine等待超过1ms，锁会进入饥饿模式——新来的goroutine直接排队（不抢锁），确保公平性。
4. RWMutex的设计
  • 读锁计数：
    通过readerCount跟踪当前读锁数量（正数表示读锁，负数表示有写锁等待）。
  • 写锁优先：
    当有写锁等待时，新来的读锁会被阻塞，防止写锁被饿死。

五、mysql的锁机制

1. 全局锁（Global Lock）
  • 作用：锁定整个数据库实例，使所有表处于只读状态。
  • 命令：FLUSH TABLES WITH READ LOCK（FTWRL）25。
  • 场景：全库逻辑备份（如mysqldump）时确保数据一致性。
  • 风险：阻塞所有写操作，长时间锁定会导致业务瘫痪。推荐事务引擎使用–single-transaction参数（基于MVCC备份，不阻塞写）24。
2. 表级锁（Table Lock）
  • 类型：
    • 普通表锁：通过LOCK TABLES ... READ/WRITE手动加锁，读锁允许多会话并发读但阻塞写，写锁独占36。
    • 元数据锁（MDL）：自动加锁，保护表结构。DML操作（如SELECT）加MDL读锁，DDL操作（如ALTER TABLE）加MDL写锁，读写互斥。长事务会阻塞DDL，导致雪崩24。
    • 意向锁（Intention Lock）：表级锁，分为意向共享锁（IS）和意向排他锁（IX），用于快速判断表中是否有行锁冲突48。
  • 适用引擎：MyISAM默认表锁；InnoDB显式支持。
  • 特点：开销小、加锁快、无死锁，但并发度低39。
3. 行级锁（Row Lock）
  • 适用引擎：仅InnoDB支持，细粒度锁定单行数据。
  • 特点：开销大、加锁慢、可能出现死锁，但并发度高16。
  • 加锁条件：必须通过索引检索数据，否则退化为表锁310。
4.共享锁（S锁）

共享锁（S锁）：SELECT ... LOCK IN SHARE MODE，允许多事务读，阻塞写。

允许多事务‌并发读取同一数据‌，但阻止任何事务获取排他锁进行修改‌

锁兼容性：多个S锁可共存，但S锁与X锁互斥‌

5.排他锁（X锁）

排他锁（X锁）：SELECT ... FOR UPDATE或自动加锁（如UPDATE），独占数据

事务持有X锁时，‌禁止其他事务加任何锁‌（包括S锁和X锁），实现独占读写‌

自动应用于写操作：UPDATE、DELETE、INSERT语句默认加X锁‌

6.悲观锁（Pessimistic Lock）
  1. ‌实现机制‌
    • 基于‌数据库原生锁机制‌（S锁/X锁），操作前先加锁，假设高并发冲突概率‌。
    • 典型语句：SELECT ... FOR UPDATE（X锁）、SELECT ... LOCK IN SHARE MODE（S锁）‌。
  2. ‌适用场景‌
    • 写密集型操作（如库存扣减、支付交易）‌。
    • 需强一致性的金融系统，容忍锁开销换取安全性‌。
7.乐观锁（Optimistic Lock）

  1. ‌实现机制‌

    • ‌无锁设计‌：通过业务层逻辑（版本号/时间戳）检测冲突，提交时校验数据一致性‌89。

    • 伪代码逻辑：

      sql CodeUPDATE products 
SET stock = new_stock, version = version + 1 
WHERE id = 10 AND version = current_version; -- 校验版本号

  2. ‌适用场景‌

    • 读多写少场景（如评论计数更新）‌。
    • 分布式系统，减少数据库锁竞争开销‌。

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