背景

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C/C++語(yǔ)言的并發(fā)程序（Concurrent Programming）設(shè)計(jì)，一直是一個(gè)比較困難的話題。很多朋友都會(huì)嘗試使用多線程編程，但是卻很難保證自己所寫的多線程程序的正確性。多線程程序，如果涉及到對(duì)共享資源的并發(fā)讀寫，就會(huì)產(chǎn)生資源爭(zhēng)用（Data Race）。解決資源爭(zhēng)用，最直接的想法是引入鎖，對(duì)并發(fā)讀寫的數(shù)據(jù)進(jìn)行保護(hù)（更高級(jí)的則包括無(wú)鎖編程—— Lock Free Programming）。但是，鎖又有很多種類，例如：自旋鎖（Spinlock）、互斥鎖（Mutex）、讀寫鎖（Read-Write-Lock）等等。這么多的鎖，每種鎖有什么特點(diǎn)？對(duì)應(yīng)哪些不同的使用場(chǎng)景？使用過(guò)程中需要注意哪些事項(xiàng)？各自分別有哪些不足之處？都是困擾程序員的一個(gè)個(gè)問(wèn)題。

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甚至，一個(gè)最基本的問(wèn)題：為什么鎖就能夠用來(lái)保護(hù)共享資源？鎖真正蘊(yùn)含的意義有哪些？我相信很多使用過(guò)各種鎖的程序員，都不一定能夠完全正確的回答出來(lái)。

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有鑒于此，本人希望將自己近10年數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)核研發(fā)，所積累下的并發(fā)編程的經(jīng)驗(yàn)記錄下來(lái)，形成一個(gè)系列的文章，分享給大家。這個(gè)系列，個(gè)人打算對(duì)其命名為 #并發(fā)編程系列# ，作為此系列開(kāi)篇的文章，本文將從一個(gè)簡(jiǎn)單的并發(fā)編程的例子出發(fā)，引出鎖真正蘊(yùn)含的意義。

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一個(gè)測(cè)試用例

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并發(fā)程序處理中，面臨的一個(gè)最簡(jiǎn)單，也是最常見(jiàn)的共享資源的爭(zhēng)用，就是針對(duì)一個(gè)全局變量進(jìn)行并發(fā)的更新和讀取。這個(gè)全局變量，可以是一個(gè)全局計(jì)數(shù)器，統(tǒng)計(jì)某個(gè)事件在多線程中發(fā)生的次數(shù)；或者是一個(gè)全局遞增序列，每個(gè)線程需要獲取屬于其的唯一標(biāo)識(shí)。諸如此類，多個(gè)線程，針對(duì)一個(gè)全局變量的并發(fā)讀寫，是十分常見(jiàn)的。如下圖所示：

此用例中，N個(gè)線程，并發(fā)更新一個(gè)全局變量。讓我們先來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試，全局變量global_count沒(méi)有任何保護(hù)，此時(shí)會(huì)發(fā)生什么？

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測(cè)試場(chǎng)景：500個(gè)線程，每個(gè)線程做10000次global_count++操作，主線程首先將global_count初始化為0，然后等待這500線程運(yùn)行結(jié)束。待500個(gè)線程運(yùn)行結(jié)束之后，由于每個(gè)線程都做了10000次global_count++，那么可以確定，最后的global_count取值應(yīng)該是5000000。事實(shí)是這樣嗎？根據(jù)此測(cè)試場(chǎng)景，撰寫測(cè)試代碼，每個(gè)線程做的都是同樣的事，代碼很簡(jiǎn)單：

主線程等待所有500個(gè)線程結(jié)束之后，進(jìn)行判斷，若global_count不等于5000000，則打印出當(dāng)前global_count的取值。運(yùn)行結(jié)果如下：

通過(guò)上圖，可以發(fā)現(xiàn)，global_count并不是每次都等于5000000，很大的幾率，global_count要小于5000000。多線程對(duì)一個(gè)全局變量進(jìn)行++操作，并不能保證最終得到的結(jié)果的正確性。究其內(nèi)部原因，是因?yàn)?+操作并不是一個(gè)原子操作（Atomic Operation），而是對(duì)應(yīng)至少3條匯編語(yǔ)句，考慮如下兩個(gè)線程的 ++ 操作并發(fā)：

線程1，2，分別讀取了global_count的當(dāng)前值，分別加1后寫出。線程2的寫覆蓋了線程1的寫，最后導(dǎo)致兩次 ++ 操作，實(shí)際上卻對(duì)global_count只加了1次。

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如何解決此問(wèn)題，相信大家都有很多方法，例如：將global_count聲明為原子變量（C++ 11標(biāo)準(zhǔn)支持）。但是此文，并不打算使用原子變量，而是將global_count的++操作，通過(guò)Spinlock保護(hù)起來(lái)。一個(gè)全局的Spinlock，500個(gè)線程，在++操作前，需要獲取Spinlock，然后進(jìn)行g(shù)lobal_count的++操作，完成后釋放Spinlock。對(duì)應(yīng)的每個(gè)線程代碼修改如下：

主線程，仍舊是同樣的邏輯，等待所有的500個(gè)線程執(zhí)行結(jié)束之后，判斷global_count取值是否等于5000000，如果不相等，則打印出來(lái)。此時(shí)，同樣執(zhí)行此測(cè)試程序，沒(méi)有任何一條數(shù)據(jù)打印出來(lái)，每一個(gè)循環(huán)，都滿足global_count等于5000000。通過(guò)引入了Spinlock，完美了解決上面的問(wèn)題。

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為什么引入了Spinlock保護(hù)之后，多線程針對(duì)全局變量的并發(fā)讀寫所帶來(lái)的問(wèn)題就解決了？此問(wèn)題，恰好引入了鎖意義的剖析。

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鎖的意義

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在分析鎖的意義前，先來(lái)簡(jiǎn)單看看Spinlock的功能：Spinlock是一把互斥鎖，同一時(shí)間，只能有一個(gè)線程持有Spinlock鎖，而所有其他的線程，處于等待Spinlock鎖。當(dāng)持有Spinlock的線程放鎖之后，所有等待獲取Spinlock的線程一起爭(zhēng)搶，一個(gè)Lucky的線程，搶到這把鎖，大部分Unlucky的線程，只能繼續(xù)等待下一次搶鎖的機(jī)會(huì)。

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由此來(lái)說(shuō)，在spinlock鎖保護(hù)下的代碼片段，同一時(shí)間只能有一個(gè)線程（獲得Spinlock的線程）能夠執(zhí)行，而其他的線程，在獲取spinlock之前，不可進(jìn)入spinlock鎖保護(hù)下的代碼片段進(jìn)行執(zhí)行。前面的測(cè)試用例，由于spinlock保護(hù)了global_count++的代碼，因此global_count++操作，同時(shí)只能有一個(gè)線程執(zhí)行，不可能出現(xiàn)前面提到的兩線程并發(fā)修改global_count變量出現(xiàn)的問(wèn)題。How Perfect?。。。ㄗⅲ涸趕pinlock加鎖之前，以及spinlock放鎖之后的代碼段，可以由多線程并發(fā)執(zhí)行。）

但是，故事到此就完了嗎？我相信對(duì)于大部分程序員來(lái)說(shuō)，或者是之前的我來(lái)說(shuō)，認(rèn)為故事到此就結(jié)束了。已經(jīng)成功的使用了一個(gè)Spinlock，來(lái)保護(hù)全局變量的并發(fā)讀寫，保證了并發(fā)訪問(wèn)的正確性。

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但是（又是這個(gè)該死的但是），故事并未結(jié)束，這個(gè)案子也還沒(méi)有了結(jié)。有一定經(jīng)驗(yàn)的C/C++程序員，或者是曾經(jīng)看過(guò)我寫過(guò)的一個(gè)PPT：《CPU Cache and Memory Ordering——并發(fā)程序設(shè)計(jì)入門》，以及一篇博客：《C/C++ Volatile關(guān)鍵詞深度剖析》，的朋友來(lái)說(shuō)，應(yīng)該都知道這個(gè)故事還有一個(gè)點(diǎn)沒(méi)有挖掘：內(nèi)存模型（Memory Model），無(wú)論是程序語(yǔ)言（如：C/C++，Java），或者是CPU（如：Intel X86，Power PC，ARM），都有所謂的內(nèi)存模型。

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簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，內(nèi)存模型規(guī)定了一種內(nèi)存操作可見(jiàn)的順序。為了提高程序運(yùn)行的效率，編譯器可能會(huì)對(duì)你寫的程序進(jìn)行重寫，執(zhí)行順序調(diào)整等等，同樣，CPU也會(huì)對(duì)其執(zhí)行的匯編執(zhí)行進(jìn)行順序的調(diào)整，這就是所謂的亂序執(zhí)行。最基本的四種亂序行為，包含：LoadLoad亂序；LoadStore亂序；StoreLoad亂序；StoreStore亂序，分別對(duì)應(yīng)于讀讀亂序，讀寫亂序，寫讀亂序，寫寫亂序。關(guān)于這四種亂序行為更為詳細(xì)的介紹，可參考Preshing的博客：《Memory Reordering Caught in the Act》，《Memory Barriers Are Like Source Control Operations》，或者是《SMP Primer for Android》這篇文章。本文接下來(lái)的部分，假設(shè)讀者已經(jīng)知道了無(wú)論是編譯器，還是CPU，都會(huì)存在編譯亂序與指令執(zhí)行亂序的現(xiàn)象。

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編譯亂序與指令執(zhí)行亂序，跟本文討論的鎖的意義有何關(guān)系？可以說(shuō)，不僅有關(guān)系，還有很大的關(guān)系，關(guān)系到鎖之所以能夠稱之為鎖，能夠用來(lái)保護(hù)共享資源的關(guān)鍵。

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一個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題：在存在編譯亂序與指令執(zhí)行亂序的情況下，怎么保證鎖所保護(hù)的代碼片段，不會(huì)被提前到加鎖之前，或者是放鎖之后執(zhí)行？如果編譯器將鎖保護(hù)下的代碼，通過(guò)編譯優(yōu)化，放到了加鎖之前運(yùn)行？又如果CPU在執(zhí)行指令時(shí)，將鎖保護(hù)下的匯編代碼，延遲到了放鎖之后執(zhí)行？如下圖所示：

如上所示，如果編譯器做了它不該做的優(yōu)化，或者CPU做了其不該做的亂序，那么spinlock保護(hù)下的代碼片段，同一時(shí)刻，一定只有一個(gè)線程能夠執(zhí)行的假設(shè)被打破了。此時(shí)，雖然spinlock仍舊只能有一個(gè)線程持有，但是spinlock保護(hù)下的代碼，被提到了spinlock保護(hù)之外執(zhí)行，spinlock哪怕功能再?gòu)?qiáng)大，也不能保護(hù)鎖之外的代碼，提取到spinlock鎖之外的代碼，能夠并發(fā)執(zhí)行。

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但是上面的測(cè)試說(shuō)明，spinlock保護(hù)下的global_count++操作，在多線程下能夠正確執(zhí)行。也就說(shuō)明，無(wú)論是編譯器，還是CPU，并沒(méi)有不合時(shí)宜的做上面的這些優(yōu)化。而分析其原因，剛好引出了鎖（Spinlock、Mutex、RWLock等）的第二層意義：Lock Acquire和Unlock Release。

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什么是Lock Acquire，Unlock Release又意味著什么？在此之前，需要先看看什么是Acquire和Release。Acquire和Release語(yǔ)義（Semantics）是程序語(yǔ)言和CPU內(nèi)存模型（Memory Model）中的一個(gè)概念。以下，是截取自Preshing博客《Acquire and Release Semantics》一文中，對(duì)Acquire與Release Semantics的定義：

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Acquire semantics is a property which can only apply to operations which read from shared memory, whether they are read-modify-write operations or plain loads. The operation is then considered a read-acquire. Acquire semantics prevent memory reordering of the read-acquire with any read or write operation which follows it in program order. （注：Acquire語(yǔ)義是一個(gè)作用于內(nèi)存讀操作上的特性，此內(nèi)存讀操作即被視為read-acquire。Acquire語(yǔ)義禁止read-acquire之后所有的內(nèi)存讀寫操作，被提前到read-acquire操作之前進(jìn)行。）

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Release semantics is a property which can only apply to operations which write to shared memory, whether they are read-modify-write operations or plain stores. The operation is then considered a write-release. Release semantics prevent memory reordering of the write-release with any read or write operation which precedes it in program order.（注：Release語(yǔ)義作用于內(nèi)存寫操作之上的特性，此內(nèi)存寫操作即被視為write-release。Release語(yǔ)義禁止write-release之前所有的內(nèi)存讀寫操作，被推遲到write-release操作之后進(jìn)行。）

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從Acquire與Release語(yǔ)義的定義可以看出，兩個(gè)語(yǔ)義對(duì)編譯器優(yōu)化、CPU亂序分別做了一個(gè)限制條件：

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Acquire語(yǔ)義限制了編譯器優(yōu)化、CPU亂序，不能將含有Acquire語(yǔ)義的操作之后的代碼，提到含有Acquire語(yǔ)義的操作代碼之前執(zhí)行；

Release語(yǔ)義限制了編譯器優(yōu)化、CPU亂序，不能將含有Release語(yǔ)義的操作之前的代碼，推遲到含有Release語(yǔ)義的操作代碼之后執(zhí)行；

有了明確的Acquire和Release語(yǔ)義的定義，再回過(guò)頭來(lái)看前面提到的鎖的第二層含義：Lock Acquire和Unlock Release。加鎖操作自帶Acquire語(yǔ)義，解鎖操作自帶Release語(yǔ)義。將加鎖、解鎖的兩個(gè)語(yǔ)義結(jié)合起來(lái)，就構(gòu)成了以下的完整的鎖的含義圖：

spinlock，只有帶有了Acquire和Release語(yǔ)義，才算是一個(gè)真正完整可用的鎖——Acquire與Release語(yǔ)義間，構(gòu)成了一個(gè)臨界區(qū)。獲取spinlock后的線程，可以大膽的運(yùn)行全局變量的讀寫，而不必?fù)?dān)心其他并發(fā)線程對(duì)于此變量的并發(fā)訪問(wèn)。

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好消息是，pthread lib所提供的spinlock、mutex，其加鎖操作都自帶了acquire語(yǔ)義，解鎖操作都自帶了release語(yǔ)義。因此，哪怕我們?cè)谑褂玫倪^(guò)程中，不知道有這兩個(gè)語(yǔ)義的存在，也能夠正確的使用這些鎖。但是，讀者需要實(shí)現(xiàn)自己的spinlock、mutex（注：實(shí)際情況下，確實(shí)有這個(gè)必要，數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)如Oracle/PostgreSQL/InnoDB，都有自己實(shí)現(xiàn)的Spinlock、Mutex等），那么對(duì)于鎖的了解，到這個(gè)層次，是必不可少的。

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總結(jié)

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本文，作為 #并發(fā)編程系列# 的開(kāi)篇，首先跟大家分析了鎖（Spinlock、Mutex、RWLock等）所代表的真正意義。首先，這些鎖要么保證同一時(shí)刻只能由一個(gè)線程持有（如：Spinlock、Mutex），要么保證同一時(shí)刻只能有一個(gè)寫鎖（如：RWLock）；其次，鎖的加鎖操作帶有Acquire語(yǔ)義，解鎖操作帶有Release語(yǔ)義。通過(guò)這兩個(gè)條件，保證了加鎖/解鎖之間，構(gòu)成了一個(gè)完整的臨界區(qū)，全局資源的更新操作，可以在臨界區(qū)內(nèi)完成，而不必?fù)?dān)心并發(fā)讀寫沖突。而這正是并發(fā)程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)：構(gòu)建一個(gè)Data-Race-Free的多線程系統(tǒng)。