?大家好，我是小風哥。

前幾天微信群里有同學聊一個面試題，怎樣在不加鎖的情況下解決線程安全問題，你需要了解lock free和wait free這兩個概念，在此之前我們先從最簡單的有鎖編程開始。

我們知道，多線程同時修改共享變量時會出現數據不一致的問題，比如多個線程同時對一個變量加1，假設count的初始值為0：

int count;


void add() {
    ++count;
}

如果只有一個線程調用add函數，那么什么問題都沒有，但如果多個線程同時調用上述函數，比如10個線程都調用一遍，那么count值最后不一定等于0，原因在于對count加1的操作不是原子的。

所謂某個操作是原子的是指CPU要么執行該操作，要么不執行該操作，不存在中間狀態，但上述對count加1的操作經過編譯器處理后會生成幾條對應的機器指令，所以該操作不是原子的。

那么怎樣才能讓其變成原子的呢？很簡單，加一把鎖。

int count;
mutex mtx; // 鎖


void add() {
    mtx.lock();
    ++count;
    mtx.unlock();
};

現在我們用一把鎖將對count的操作保護了起來，此時你可以將mtx.lock()以及mtx.unlock()中間的代碼看成原子的，CPU要完全執行完對count的加1要么根本不會操作count，這樣上述程序的運行結果就是我們想要的了。

這是怎樣做到呢？這就要說到操作系統了，千萬不要小瞧了上面的mutex這把鎖，這把鎖的背后相當復雜，因為這涉及到了操作系統。

假設現在有三個線程，各自運行在不同的CPU核心上，每個方框代表一個時間片：

T1時間片這三個線程都在調用add函數，線程A拿到鎖，A可以繼續向前推進，但B和C就沒這么幸運了，此時操作系統將剝奪線程B和C繼續持有CPU的權利，將其分配給其它具備執行條件的線程，這就是操作系統中所謂的掛起，注意，這個過程相當復雜，因為這涉及到用戶態與內核態的切換以及線程的切換等等。

此時來到T2時間片，線程A繼續向前推進，線程B和C則被按下暫停鍵。

T3時間片，然而就在線程A拿到鎖運行時因為某些原因像高優先級線程槍占之類導致操作系統也剝奪了線程A繼續持有CPU的權利，糟糕的是，因為線程A此時持有鎖，而線程A又無法繼續向前推進，這就進一步使得線程B和C也無法繼續向前推進。

你會發現在T3時刻，這幾個線程都沒有任何進展，根本原因在于我們為解決多線程問題加互斥鎖驚動了操作系統，而這類互斥鎖是操作系統給我們實現的，那么解決線程安全問題一定要經過操作系統嗎？

不是的，在硬件層面也可以解決線程安全問題，硬件層面當然是指CPU，或者說機器指令。

CPU中有特定的原子指令，實際上操作系統也是基于這些指令實現的互斥鎖，既然操作系統能用這些指令，我們(用戶態)也可以使用這些指令，基于此我們可以將上述代碼進行簡單改造：

int count = 0;
               
void add() {
    int old_value;


    do {
      old_value = count;
    } while (!atomic_compare_exchange(&count, &old_value, old_value + 1));
}

此時add函數是線程安全的，我們也沒有對其進行加鎖，不管多少線程同時調用add函數得到count都是正確的，而該函數的執行完全不涉及操作系統，不需要操作系統來維護秩序，利用的就是CPU中的原子指令，CPU在硬件層面一樣可以替我們維護秩序。

上述代碼就是所謂lock-free的，不管操作系統怎樣調度這三個線程，我們都能確保這三個線程中總有一個能繼續向前推進。

lock-free的系統看起來像這樣：

對于這類系統不存在某個時間片下線程都無法推進的情況，換句話說就是lock-free程序保證至少有一個線程能繼續向前推進。

可以看到，lock-free給出了比普通鎖更優的保障。

但不能簡單從代碼是不是加鎖或不加鎖去判斷代碼是否lock-free，回旋鎖也是沒有上述互斥鎖的，也不經過操作系統，但回旋鎖并不是lock-free的，如果你這樣利用CPU中的原子操作修改add函數：

int count = 0;
int lock = 0;  // 回旋鎖


void add () {
    int expected = 0;
    while(!atomic_compare_exchange_weak(&lock, &expected, 1))
        expected = 0;
    count++;
    lock = 0;
}

這就是典型的回旋鎖，然而如果某個線程持有回旋鎖后被操作系統掛起那么其它線程開始無效的執行死循環，除了白白消耗CPU之外它們都無法繼續向前推進，顯而易見，如果此時系統負載較高那么此類程序的性能會變差。

既然現在你已經知道了lock-free我們再繼續優化這段代碼：

std::atomic<int> count;


void add() {
    ++count;
}

這段代碼沒有鎖，也不需要用循環不斷檢測是否有其它線程修改count，不管操作系統如何調度這三個線程，它們都能在有限的操作數內執行完成，此時我們說該程序是wati-free的，wait-free系統運行起來像這樣：

可以看到在任意時間片內，不管操作系統怎樣調度，所有線程都能向前推進。

wait-free比lock-free的要求更高更加嚴格，由于wait-free的程序總是能在有限的步驟內執行完成，因此實時性是最好的，適用于那些對實時性要求較高的場景，當然實現難度也要比lock-free更高。

值得注意的是，wait-free以及lock-free程序的實現通常不是那么簡單。

好啦，今天就到這里，希望這篇對大家理解多線程有所幫助。?