深入浅出话MIT 6.1810 Lab 8：剖析多核处理器上的锁
2023-12-19 00:09:10
一、锁的本质与类型
在并发编程中，锁是一种至关重要的机制，用于控制多线程对共享资源的访问，防止数据不一致和程序崩溃。
当一个线程获取锁后，它可以独占访问共享资源，直到释放锁为止。这就像一个人获得了一把钥匙，可以进入一个房间，而其他人都需要等待直到他离开才能进入。
有两种基本类型的锁：
- 互斥锁： 只允许一个线程同时访问共享资源，就像只有一把钥匙的房间，一次只能一个人进入。
- 读写锁： 允许多个线程同时读取共享资源，但只能有一个线程同时写入共享资源，就像一个图书馆，许多人可以同时阅读，但一次只能有一个书写员写书。
二、锁的应用场景
锁在并发编程中广泛应用，以下是一些常见的应用场景：
- 多线程访问共享数据结构，例如链表或哈希表，防止数据混乱。
- 多线程访问共享设备，例如打印机或文件系统，防止设备冲突。
- 多线程访问数据库，防止数据更新冲突。
三、锁的使用与优化
使用锁是一把双刃剑。虽然它可以防止数据不一致，但也可能会导致性能下降，就像一个人拿着钥匙，所有人都得排队等他出来一样。
因此，在使用锁时，需要权衡利弊，尽量减少锁的使用。以下是一些优化锁使用的策略：
- 使用细粒度的锁： 只对需要同步的资源加锁，就像只锁住需要使用的房间，而不是整个房子。
- 避免长时间持有锁： 在不使用锁时立即释放锁，就像用完钥匙后立即放回钥匙盘，而不是揣在兜里。
- 使用锁升级技术： 在需要时将读锁升级为写锁，就像在图书馆，当需要写书时，可以把读者的借书证升级为写书证。
- 使用非阻塞锁： 避免线程在等待锁时被阻塞，就像使用自动门，不需要等门卫开门，直接可以进去。
四、小结
锁是并发编程中的必备工具，合理使用锁可以避免死锁和争用，提升并发编程的性能和效率。就像交通信号灯，可以协调车辆通行，锁也可以协调线程对资源的访问。
在实际项目中，需要根据具体情况选择合适的锁类型，并采用适当的锁优化策略。就像不同的交通场景需要不同的信号灯配置，不同的并发编程场景也需要不同的锁策略。
示例代码
// 使用互斥锁保护共享资源
private final Object lock = new Object();
public void accessSharedResource() {
synchronized (lock) {
// 对共享资源进行操作
}
}
// 使用读写锁保护共享资源
private final ReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();
public void readSharedResource() {
lock.readLock().lock();
try {
// 读取共享资源
} finally {
lock.readLock().unlock();
}
}
public void writeSharedResource() {
lock.writeLock().lock();
try {
// 写入共享资源
} finally {
lock.writeLock().unlock();
}
}
常见问题解答
-
什么是死锁？
死锁是指两个或多个线程相互等待对方的锁，导致所有线程都无法继续执行，就像两个孩子互相抢玩具，谁也不肯放手，最后都哭了起来。 -
什么是争用？
争用是指多个线程同时尝试获取同一把锁，导致线程长时间等待，就像一群人排队等电梯，电梯来了大家一窝蜂挤进去，互相推搡。 -
如何避免死锁？
避免死锁的方法包括：避免嵌套锁、使用超时机制、采用死锁检测和恢复机制，就像交通信号灯可以防止死锁，定时器可以防止电梯拥堵，监控系统可以检测和解决死锁。 -
如何减少争用？
减少争用的方法包括：使用细粒度的锁、使用非阻塞锁、采用乐观并发控制，就像使用自动门可以减少排队时间，使用预订机制可以减少冲突，乐观并发控制可以减少锁的使用。 -
锁和同步有什么区别？
锁是一种实现同步的机制，同步是指协调多个线程对共享资源的访问，就像锁是交通信号灯，同步是交通管理。
