并发环境下的一些同步方法

一、锁

1.　互斥锁（ｍｕｔｅｘ＿ｌｏｃｋ）

　　最常使用于线程同步的锁；标记用来保证在任一时刻，只能有一个线程访问该对象，临界区和互斥量都可用来实现此锁，通常情况下锁操作失败会将该线程睡眠等待锁释放时被唤醒。此时有线程切换的消耗。

　　① 原子性：互斥锁加锁操作是一个原子操作，这保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量；

　　② 唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量；

　　③ 非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

2.　自旋锁（ｓｐｉｎ＿ｌｏｃｋ）

　　与互斥锁相同，除了加锁失败后的后续操作不同。自旋锁加锁失败后并不是睡眠等待唤醒，而是循环检测保持者是否已经释放了锁，不会让出ｃｐｕ，会一直忙碌。没有线程切换的消耗。

3.　两种锁的适用情况

　　当锁内执行的操作耗时较少，即等待的消耗远远小于线程切换的消耗，选择自旋锁。

　　当持有锁的时间比较长时，则选择互斥锁。长时间的自旋操作会给ｃｐｕ带来非常大的执行开销。

二、原子操作

　　原子操作的狭义是单条ｃｐｕ指令实现的操作，广义是指一段不会被线程调度机制打断的操作。

1. C语言用汇编实现+1的原子操作

int inc(int *value, int add)
{
    int old;
    __asm__ volatile(
    “lock; xaddl %2, %1;”    //xaddl是把%2和%1相加并放到%1里
    : “=a” (old)
    : “m” (*value), “a”(add)
    : “cc”, “memory”
        );
    return old;
}
    

 

三、CAS

1.　CAS的概念

　　CAS是Ｃｏｍｐａｒｅ　Ａｎｄ　Ｓｗａｐ／Ｃｏｍｐａｒｅ　Ａｎｄ　Ｓｅｔ。CAS是根据乐观锁概念实现的一种无锁同步机制。

　　线程在读取数据是不进行加锁，在准备修改数据时，先去查询原值，操作的时候比较原值是否被修改，若未被其他线程修改则写入数据，最后返回交互操作是否成功。

　　常用CAS自旋锁，适用与并发较少的情况。

2.　CAS自旋锁的缺点

①ABA问题

　　ABA问题指线程１获取变量时值为Ａ，此时资源被抢占，线程１休眠，变量值在此期间完成A－＞Ｂ－＞Ａ的变换操作，线程１被唤醒后判断Ａ与期待值相同，认为A没有被改变过，继续执行交换操作。

　　具体案例：

• 　　　　我们假设一个提款机的例子。假设有一个遵循CAS原理的提款机，小灰有100元存款，要用这个提款机来提款50元。
• 　　　　由于提款机硬件出了点问题，小灰的提款操作被同时提交了两次，开启了两个线程，两个线程都是获取当前值100元，要更新成50元。
• 　　　　理想情况下，应该一个线程更新成功，一个线程更新失败，小灰的存款值被扣一次。
• 　　　　线程1首先执行成功，把余额从100改成50.线程2因为某种原因阻塞。这时，小灰的妈妈刚好给小灰汇款50元。
• 　　　　线程2仍然是阻塞状态，线程3执行成功，把余额从50改成了100。
• 　　　　线程2恢复运行，由于阻塞之前获得了“当前值”100，并且经过compare检测，此时存款实际值也是100，所以会成功把变量值100更新成50。
• 　　　　原本线程2应当提交失败，小灰的正确余额应该保持100元，结果由于ABA问题提交成功了。

　　解决方法：增加版本号信息，当变量发生变化时，版本号更新，在进行Ｃｏｍｐａｒｅ操作时，不仅要比较旧值与期待值，同时也要比较版本号有没有发生改变。

②循环ｃａｓｅ

　　CAS自旋锁长时间自旋会消耗大量ｃｐｕ时间。

　　解决方法：在低并发的情况下使用；破环自旋的ｆｏｒ死循环，增加自旋次数判断，超过次数退出自旋

③只能更新一个值

　　CAS中只能同时更新一个值

　　解决方法：加锁；将多个需要改变的值封装成一个对象