进程间通信(7)：锁
锁
计算机领域中，锁机制使用的非常多。它主要是为了避免多个进程访问同一资源时，可能出现的数据不一致问题。
例如，cat命令输出一个比较大的文件内容，cat命令的特性是需要先将所有磁盘文件数据读取到内存后再输出，所以cat输出一个大文件可能需要花费一些时间。如果在cat在加载文件时，在另一个终端上向这个文件追加了一行数据，那么cat最终加载的数据会包含这行新追加的数据吗？
再更简单的一个示例是，两个用户同时用vim打开一个文件去修改数据，那么以谁修改的数据为准呢？所以，vim为了避免这种问题，每次打开一个文件的时候，都会在文件的同一个目录下创建一个隐藏的.swp临时文件（例如vim a.log时会生成一个.a.log.swp的文件），如果有其它用户用vim去打开同一个文件，会检查这个隐藏文件是否存在，如果存在说明有人正在编辑这个文件。
锁的内容非常多，这里简单介绍下它最基本也最实用的基础知识。
如果不使用锁，也就是允许多个进程同时更新、读取同一份数据，将可能出现以下问题：
1.脏读：读取到脏数据。例如用户A用vim将文件中的字母x修改为了y，用户B在vim保存之前通过cat读取，得到的这个字母将是x，这种现象称为脏读。但其实A已经将它修改为了y，只不过该修改只存在于A的vim缓存中，还没有保存到磁盘文件中。通常，将缓存中修改后但没有保存的数据称为脏数据。
2.更新丢失：某用户的数据更新操作被其它用户覆盖。例如，用户A和用户B同时修改同一文件中的最后一个字符a，A将a修改为x，B将a修改为y，那么A先保存的话，B的修改将覆盖A的修改，最终保存的结果是y，如果B先保存的话，A的修改将覆盖B的修改，最终结果得到字符x。所以，同时修改数据时，有一个进程的更新被覆盖了，也就是丢失了。
除这两个问题之外，在多进程同时更新、读取同一份数据时，还可能会出现其它现象，这里不再多做描述。下面介绍一下锁的机制。
一般锁分为两种：共享锁（shared lock）和互斥锁（mutex）。共享锁也称为读锁，常用S字母表示，互斥锁也称为排它锁（exclusive lock）或写锁，通常使用X字母表示
当需要读数据时，将申请读锁，当需要修改数据时，将申请写锁。
申请锁的时候，需要先检查该资源上是否已经有锁，如果有锁，检查已存在的锁与待申请的锁是否可以兼容共存。
读锁和写锁的兼容性如下表：
| S | X | |
|---|---|---|
| S | YES | NO |
| X | NO | NO |
这个兼容性是很容易理解的：
- 1.当多个进程都只是读取同一份资源（即都申请S锁），因为没有修改数据，所以可以允许它们同时读取，所以S锁与S锁是可以共存的
- 2.如果有一个进程修改数据，它将申请X锁，这时显然不能让其它进程读取或写入数据，所以X锁与S锁、X锁和X锁都是互斥的
- 3.如果一个进程正在读取数据（即已申请S锁），其它进程想修改数据，也是不允许的，所以S锁和X锁是互斥的
这就不难理解，为什么写锁被称为排它锁或互斥锁的缘故：排除异己。
此外，使用锁需要考虑锁的粒度，即对多少资源量上锁。例如，对于一个文件来说，可以直接对整个文件上锁，也可以只对文件中想要访问的那部分数据上锁。如果直接对整个文件上锁，其它进程申请该文件的互斥锁将总是被阻塞，而如果只是锁定该文件中的前10K数据，那么其它进程如果申请的互斥锁从第20K开始的数据，就不会收到影响。
所以，锁的粒度越大，阻止其它进程的可能性就越大，多进程并发的能力就越差。锁的粒度越小，阻止其它进程的可能性就越小，并发的能力就越强。
但是，锁的粒度太小也不一定好，因为每个锁都是需要额外管理的，粒度越小，需要维护的锁数量越多。比如频繁创建锁和频繁释放锁的开销并不一定小，甚至在极端的时候比维护单个粗粒度的锁效率更低。
在shell命令行下，提供了一个flock命令，它可以通过某个文件来实现锁机制：运行某个命令时在某个文件上申请锁（读锁或写锁），另外一个命令运行时也申请该文件上的锁（读锁或写锁），如果锁可以共存，则第二个命令可以执行，否则默认阻塞。
下面是shell命令行下flock命令的简单用法，更详细内容可man flock自行探索。
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