趣话计算机底层技术一个故事看懂各种锁
Posted 轩辕之风
tags:
篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了趣话计算机底层技术一个故事看懂各种锁相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
我是一个线程，一个卖票程序的线程。
自从我们线程诞生以来，同一个进程地址空间里允许有多个执行流一起执行，效率提升的同时，也引来了很多麻烦。
我们卖票线程的工作很简单，比如票的总数是100，每卖一张就减1，直到变成0售完为止。
以前单线程的时候没啥问题，但多个线程一起执行的时候就发现，有些家伙读取到票数是100，减1后变成99，还没等他把票数写回去，另外有别的线程去读也是100，也做了同样的事，结果卖了两张票，票数才减了1张，一天下来，多卖了很多票，气的人类差点想砸了我们。
原子操作
我们把这问题反馈给了操作系统大哥，他给我们的解决方案是：读取票数->票数减1->写回票数这三个步骤不能被拆分，中途不能被打断，他说这个叫原子操作。
他给了我们一套原子操作的手册，里面不止有减法，还有加法、位运算，只要调用手册里的原子操作函数，就能保证逻辑的正确性。
我很好奇操作系统大哥是如何实现这个过程的原子化的，他告诉我，如果CPU只有一个核很好办，执行原子操作的时候，他不切换线程就可以。而如果是有多个核，就需要CPU来帮忙了。
你还别说，我们用这个原子操作来卖票后，再也没有发生超额卖票的问题。
自旋锁
有一天，我们卖票程序进行了升级，不再是直接读取票数->票数减1->写回票数这么简单，还需要安排座位，现在变成了：
我们一翻手册，没有哪个原子操作函数能满足我们的功能，毕竟安排座位这个操作是咱们卖票程序自己的事儿，一点也不通用，操作系统大哥肯定不会专门为我们开发一个原子操作函数。
我们只好再一次求助操作系统大哥，他一看就说：“你们这个问题，用自旋锁就可以解决”
锁？我们还是第一次听说这玩意，不知道是什么意思。
操作系统告诉我们，让我们回去创建一个锁，这锁里面有一个状态标记来表示当前有没有被占用，所有线程在执行卖票操作之前，都得先去获取这个锁，如果锁被占用了，线程就会阻塞在获取函数那里，获取函数内部会不断循环去检查，直到别的线程释放后才返回。
因为获取锁的时候线程会一直循环检查状态，所以这锁也叫自旋锁。
现在，我们的工作流程变成了：
我们又可以愉快地卖票了！
互斥锁
我们的业务发展很快，后来，我们用上了数据库，把票的数量写到了数据库里面，于是我们的工作流程变成了：
本以为只是把票数从本地内存搬到了数据库，应该没什么不一样，结果发现我们运行经常出错，还莫名其妙地被杀掉进程。
我们向操作系统大哥大倒苦水，没想到他却说：“你们还好意思诉苦，你们获取自旋锁后搞那么耗时的操作，让别的线程一直自旋等待，把CPU都跑得飞起，风扇都转个不停···”
我们都羞愧地低下了头，原来，把票数从本地内存搬到了数据库，差别这么大。
操作系统又接着说道：“自旋锁因为会使得线程一直阻塞自旋，没有让出CPU，所以只适合处理比较快速的场合，像读取数据库这种很耗时的操作，不能用它，会白白浪费CPU时间！”
我们又询问：“有没有别的不浪费CPU的办法呢？”
操作系统大哥又给我们介绍了一个叫互斥锁的东西，听说获取这个锁的时候，线程不会去自旋检查，而是把自己放到这把锁的等待队列中，然后就交出CPU执行权限，进入睡眠，看起来就跟阻塞一样，等到后面别的线程释放锁之后，再去唤醒它的等待队列里的线程继续运行。
回去以后我们就用上了互斥锁，现在我们的流程变成了这样：
我们又又能愉快地卖票了！
条件变量
有一天，我们的卖票程序又进行了升级，21-100号票价格比较便宜，交给其他线程来卖，1-20号票价格比较贵，交给我来卖。
现在，我们不同的线程卖的票不一样了。
别的线程的流程是这样：
而我的流程是这样：
使用互斥锁倒也没什么问题，可就是我经常拿到锁以后发现票号还大于20，不该我处理，只好默默的释放锁，白白把我唤醒，却什么也没干！
空手而回的次数多了以后，我又去请教操作系统大哥，能不能让我指定一个条件，等条件满足了再唤醒我运行，别让我白跑。
没想到还真有办法！操作系统告诉了我一个叫条件变量的东西，等待条件变量的线程平时阻塞着，别的线程发现条件满足之后，就将条件变量激活，那个时候等待的线程才会被唤醒。
回去之后，我跟我的小伙伴儿们商量了一下，我们创建了一个条件变量，等到它们发现票号小于等于20的时候，就把条件变量激活，我就会被唤醒，再也不用白跑了！
信号量
互斥锁和条件变量真是好东西，帮了我们大忙，不仅帮我们解决了卖票的问题，我们还在其他很多地方使用它，我们遇到的绝大多数同步和互斥问题都可以用它们来解决。
直到有一天，我们遇到了一个新的问题。
我们的票越卖越好，从100到1000，票的数量越来越多，来找我们买票的客户也越来越多。
因为每次售票都要访问数据库，连接它的线程有些多，那家伙有些吃不消了。
希望我们控制一下访问数据库的线程数量。
我们很自然的想到了互斥锁，只有拿到锁的线程才能去访问数据库。
可这互斥锁名叫互斥，只能允许一个线程拿到锁，总不能只允许一个线程访问数据库吧，那可不行。所以我们希望这个名额能放宽，允许多个线程同时获得锁。
我们再一次找到了操作系统大哥，大哥拿出了他的绝招——信号量。
他告诉我们，这信号量就像一个升级版的互斥锁，它里面有一个计数器，可以用来指定最多允许多少个线程同时获得它。
这正是我们想要的锁！
很快我们用上了信号量，我们又又又能愉快地卖票了！
Tips：在信号量一节中，实际上数据库能承受的并发量远不止这点，这里为了故事情节需要，弱化了数据库的并发承受能力。
往期推荐
一个故事看懂进程间通信技术
月黑风高夜，突然听得咣当一声，Web服务器的目录下冒出了两个文件，弄出了不小的声响。这两个家伙一胖一瘦，鬼鬼祟祟，潜入这台计算机，不知要搞什么名堂。
“二弟，一会儿咱们按照计划好的运行起来，分头行事，你等我信号，拿到数据后赶紧撤”，胖子对瘦子说到。
“老大，这地方我不熟悉，我怎么等你信号？咱们得想个联系方式，一会儿通信使用”，瘦子说到。
“这个不用担心，主人都交代好了”，胖子一边说，一边从背后拿出一本 《Linux进程间通信手册》 翻了起来。
信号
翻开手册的第一页，上面写着：信号——Signal，两个家伙开始认真研究起来。
片刻之后，胖子程序说道：“唉，这个不行，往后翻吧！”
瘦子程序不解，问道：“咋就不行啦？”
“你看这里，手册上说了，信号是Linux上的一种软中断通信机制，可以向指定进程发送通知，总共有64种信号，不过这个信号只能作为通知使用，没办法传输数据”
“没法传输数据？那这玩意有什么用？”
“还是有用啊，可以通知某个进程发生了什么事件，比如kill命令就是利用这个信号来告知进程退出从而实现杀进程的效果的”
“原来如此”，瘦子程序若有所思的点了点头，此时胖子已经翻到了手册的第二页。
socket
“你看，手册上写了，可以用socket”，胖子说到。
“socket？那不是网络通信使用的吗？”，瘦子有些疑惑。
“是啊，不过咱们一样可以用来在本地计算机通信，把连接的IP地址换成127.0.0.1就行了”
“感觉有点太招摇了，咱们计算机内部进程通信，数据还要经过网卡，很容易被发现的！”
“不会不会，手册上说了，127.0.0.1是本地回环地址，数据在协议栈就进行转发了，根本不会到达网卡”
“那抓包能抓到咱们通信吗？”
“嗯，让我看看···手册上说，可以在虚拟的回环网卡lo上抓到数据”
“还是算了吧，咱干这事得悄悄进行，不能留下痕迹，你再看看还有没有别的招”
听瘦子这么一说，胖子倒也觉得有理，便在手册上继续翻了起来。
匿名管道
“哎，有了有了，这个叫匿名管道的，听起来就比较隐秘，应该不会被发现。”
瘦子接过手册，看了起来。
这俩盯着手册上的两个图研究了半天，总算弄明白了，所谓匿名管道不过是内核中的一段缓冲区，提供了读写两个口子，通过fork创建子进程后，子进程继承了父进程的管道信息，两边只要约定好，一个读，一个写，就能实现通信了。
“老大，这匿名管道是单向的，咱们要通信，得整两根管道才行，一个你写我读，一个我写你读”
“看起来挺靠谱，就这么干！”，二人达成了一致。
胖子程序率先运行起来，随后创建了两个管道，一个用来发送消息，一个用来接收消息。接着执行fork，将瘦子程序也运行了起来。
时间过的很快，转眼已是深夜，随着计算机被关掉，两个家伙的进程也都退出了。
半夜无人之际，硬盘中这两个家伙开始吵起来了。
“你是怎么回事？我给你发消息怎么也不回，害得我一连发了一堆消息，最后把管道塞满了，我都阻塞了！”，胖子程序气愤地说道。
“嗨！别提了，主人给我写的程序有bug，今天运行的时候不小心崩溃了，等我再次起来时，发现管道不见了，什么情况啊？”，瘦子程序说完叹了一口气。
“那肯定不行，这匿名管道需要有亲缘关系的进程继承后才能通信，你用别的方式运行起来，肯定看不到我创建的管道啊！”
“这匿名管道用起来太麻烦了，看看还有没有别的通信方式？”
胖子程序又掏出了手册，翻了起来。
消息队列
“有了有了，这里还写了两种方式：命名管道、消息队列”，胖子程序说到。
“命名管道？跟匿名管道有什么区别吗？”
“命名管道有名字，有了名字就不限有亲缘关系的进程才能通信了，只要使用这个名字，都能打开管道通信，这下你就算挂了重启也能跟我联系上了”
“那消息队列又是什么东西？”
“额，让我看一下”
“给我也看看”，瘦子程序凑了上去，一起看了起来。
过了一会儿，瘦子程序说道：“我看明白了，这消息队列是内核中的一个消息链表，按照消息块组织，比那管道全是二进制数据流堆积在一起好用多了”
“有道理，而且这消息还可以指定类型，这样咱们俩就不用弄两个管道，一个消息队列就行了，咱们俩使用不同的消息类型，可省了不少事儿啊！”
“那咱们就用消息队列吧，别用那什么管道了”
“好，就这么干！”
两个家伙一拍即合，准备第二天再大干一场。
第二天，计算机启动后，它们又偷偷的运行了起来。
这一次用上了消息队列，联络起来方便了不少。
共享内存
不知过了多久，那瘦子进程总算来信儿了，胖子从消息队列中取出一看，只见上面写着：
“老大，我拿到了数据了，需要你来处理一下，不过这数据体量有点大，用管道和消息队列传输效率都太低了，有无办法快速把数据传送给你，盼速回。”
胖子进程心里一阵欢喜，数据拿到了，总算可以回去交差了。不过怎么样快速把数据传送过来呢，心里又犯起了嘀咕。
此时，胖子进程又一次拿出手册，翻到了最后一页，发现了一个叫“共享内存”的东西，仿佛像抓住了救命稻草一般，仔细研究了起来。
片刻之后，胖子的脸上露出了笑容，随后写下了一条消息给瘦子进程发送了过去。
却说这瘦子进程正在焦急等待消息中，收到老大的回信后，赶紧取出来看：
二弟，主人的手册中提到，可以使用共享内存进行进程间通信。
我准备了几个内存页面，你将它们映射到你的进程地址空间中，咱们就能共享这一片内存，你写的数据我能立即看到，我写的你也能立即看到，虽然咱们各自读写的地址不同，但实际上是访问的同一片物理内存页面，比管道和消息队列效率高多了！
不过为了防止咱们一起读写发生冲突，需要配合信号量一起使用，用它来实现进程间同步。
具体的使用方法如下：
······
······
盼速回！
瘦子进程看完，心中大喜！赶紧通过消息队列发了一封回信。
随后，通过老大交代的方法开始操作起来，打开共享、映射挂载一气呵成。再接着，将数据一股脑儿写到了共享的内存页面中。
大功告成之后，便退出了进程，按照计划准备撤退，却不见了胖子的踪迹，既无进程也无文件。
“这家伙难道抛下我一个人跑了？”
正想着，突然“嗡”的一声，瘦子的程序文件也没了。
却看那文件目录之下，只留了一卷《Linux进程间通信手册》···
相关推荐
以上是关于趣话计算机底层技术一个故事看懂各种锁的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章