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怎样做免费网站的推广,网站入口门户,图片展示网站织梦源码,咨询网站模板今天的目标是#xff1a;从 OS 视角理解“为什么必须有锁”、“为什么会出现竞态”、“锁为什么能解决”、“CAS 的本质是什么”。这一层是并发编程最容易混乱的地方#xff0c;因为它跨越#xff1a;OS 调度#xff08;Day3#xff09;CPU 缓存一致性#xff08;你之前学…今天的目标是从 OS 视角理解“为什么必须有锁”、“为什么会出现竞态”、“锁为什么能解决”、“CAS 的本质是什么”。这一层是并发编程最容易混乱的地方因为它跨越OS 调度Day3CPU 缓存一致性你之前学到部分用户态同步原语Day4 只讲 OS 层和同步原语不讲 CPU 内存模型那是 Day5/Day6 的事。核心问题为什么会有竞态条件Race ConditionOS 层视角为什么需要锁锁解决了什么锁的两种实现路径阻塞锁 vs 自旋锁为什么需要 CASCAS 解决了什么今天的关键目标是从OS的视角把所有并发错误的根因定位到“共享 × 切换”。依旧先看第一个问题为什么会有竞态(这篇文章的根本逻辑)在上一篇 调度器Scheduler与线程状态模型 中我们曾学到CPU 随时可能切换线程多线程共享同一个进程的内存空间容易得到以下事实共享内存 × 不确定时刻切换 访问顺序不可控 竞态的根因本质不是“两个线程修改同一变量”而是线程之间的执行交错是不可预测的。OS 不会告诉你会不会切什么时候切切到哪条指令之间所以任何共享可变数据默认就会出现竞态。这是锁存在的唯一天然理由。为什么需要锁锁解决了什么锁的出现不是为了解决“多线程修改同一变量”而是为了解决在临界区critical section内禁止调度器切走线程。一个线程拿到锁后它可以保证在退出锁之前不会有其他线程进入这段代码也就是锁是一个“对调度器的限制”。它把某段代码变成原子的要么执行完要么没执行。锁解决的问题是两个线程同一时间进入临界区两个线程交错执行导致状态错乱读—改—写操作被打断但是显然还有其他问题比如内存可见性CPU 层缓存传播后面讲语义保证事务级别在这里只讲OS视角。接下来先看看两类锁阻塞锁 vs 自旋锁调度器是如何配合锁的靠阻塞Block和自旋Spin两种行为。① 阻塞锁拿不到锁 → 线程进入 Blocked流程如下Thread A 拿到锁Thread B 来抢锁↓锁不可用 → OS 把 Thread B 扔进 Blocked 状态↓Thread A 释放锁 → OS 唤醒 B特点线程让出 CPU节省 CPU 资源唤醒需要调度器参与慢适合持锁时间较长的场景② 自旋锁拿不到锁 → 线程疯狂检查锁状态不让出 CPU比如while (!lock_available) { // spin }特点不进入 Blocked不让出 CPU快速检查锁是否可用若锁很快释放自旋比阻塞快得多若锁很慢释放 → 自旋浪费 CPUCAS 的本质是什么为什么需要它CASCompare-And-Swap的本质是一条CPU 提供的原子指令if (*addr expected) { *addr new; return success; } else { return fail; }CAS解决的问题不是锁太慢而是需要一种无需进入内核态、不触发调度、不阻塞线程的原子更新方式。CAS 的特点不进入内核态用户态完成不进 Blocked无调度切换无需锁lock-free失败了就重试loop即CAS 是构建“无锁算法”的最小原子粒度。一句话总结就是锁阻塞、自旋与 CAS 都是在补偿“共享 × 不确定切换”导致的竞态不可避免性。继续看五道问题Q1为什么会产生竞态一句话Q2锁的本质作用是什么一句话Q3阻塞锁与自旋锁的区别是什么一句话Q4CAS 的本质是什么为什么需要它一句话Q5为什么有了 CAS 还需要锁原思路Q1单论OS层面因为CPU随时可能切换线程多线程共享同一个进程的虚拟空间导致线程之间的执行顺序不可预测Q2防止可变共享数据出现竞态Q3Q4CAS的本质是一条CPU提供的原子指令为了线程无需进入内核态不触发调度不阻塞其他线程Q5因为CAS无法根治竞态关系他只能尽可能的不阻塞其他线程标准答案Q1线程共享内存且 CPU 可在任意时刻切换执行流导致执行顺序不可控。Q2限制调度使同一时间只有一个线程能进入临界区。Q3阻塞锁失败会让线程进入 Blocked 并让出 CPU自旋锁失败会忙等而不让出 CPU。Q4CAS 是 CPU 提供的原子指令用于在用户态实现无锁的原子更新Q5CAS 只能原子操作单个变量无法保护复杂临界区。最终模型① 竞态产生于线程共享内存且 CPU 可在任意时刻切换执行流导致执行顺序不可控。② 锁的本质作用是限制调度使同一时间只有一个线程能够进入临界区。③ 阻塞锁获取失败会让线程进入 Blocked 并让出 CPU自旋锁获取失败会忙等而不让出 CPU。④ CAS 是 CPU 提供的原子比较并交换指令用于在用户态完成无锁的原子更新。⑤ CAS 只能原子操作单个变量复杂或长临界区仍必须依赖锁来保证互斥。