谈论高并发（三）锁的一些基本概念

并发编程概念的一些基本的了解是非常重要的。告诉我们认为表明，在方向上的主要问题。

这个讲锁的一些基本概念。

在正常情况下，我们说的锁都指的是“互斥”锁。因为有一些特殊的锁，例“读写锁”，一点都没有互斥。

排斥锁。

锁是处理并发的一种同步手段。单线程程序和并发程序的终于目的都是要保证程序的正确性，可是最大的差别是：

单线程程序的正确性仅仅关注程序的执行结果和目标是一致的
并发程序的正确性除了执行结果正确外，还包括了活性的特性，所谓活性，指的就是程序无死锁，无饥饿

所以考察一个锁，也须要从三个方面考察：

1. 相互排斥性

2. 无死锁

3. 无饥饿

最简单的锁仅仅保证相互排斥性，而相互排斥性本质上能够用一个布尔值表示，即一个二元状态。

相互排斥是保证并发程序正确性的一种特性。和相互排斥相关的一个专用名词就是临界区

临界区指的是“某个时刻仅能被一个线程运行的代码段”，也就是通常锁的被锁保护的代码段。

一个相互排斥锁的定义通常例如以下

interface Lock {
     public void lock();
     public void unlock();
}

线程必须用指定的方式使用锁。lock动作必须在try块之前调用，假设lock在try里面运行。可能会在取到锁之前抛出异常，导致运行了unlock动作，从而错误发生。

熟悉Java显示锁的同学肯定知道使用ReentryLock就是例如以下的使用方法。

mutex.lock();
try{
 ...临界区
}finally{
    mutex.unlock()
}

相互排斥意味着串行，也意味着等待。 这引出了著名的Amdahl定律

Amdahl定律: 即完毕一个工作能获得的加速比，受限于这个工作中必须被串行的部分。

（通常串行部分都是由于被相互排斥锁保护了）

加速比的定义是一个处理器完毕一个工作的时间和採用n个处理器并发完毕该工作的时间比。

Amdahl定律给出的加速比方下

S = 1 / ( 1 - p + p/n)

S为加速比
1为完毕工作的时间
p指能够并行的部分
n指处理器个数

从Amdahl定律能够看出，串行的工作越多，获得的加速比就越小。

Amdahl给我们编程实际启发有：

1. 尽量减小相互排斥锁的粒度。锁粒度越小表示串行的部分越少

2. 能不用锁，就不要用锁。不用锁表示串行的部分越少

接下来说说活性相关的概念。

死锁意味者系统冻结。终于相关的全部线程都永久地停滞等待。

饥饿则是总有一些线程可以执行，一小部分线程永久停滞等待

所以无饥饿意味着肯定无死锁。可是无死锁不意味着无饥饿。

《多处理器编程的艺术》一书中给出了几种锁的实现，当中Peterson算法能够保证两个线程使用锁的时候锁具备相互排斥，无死锁。无饥饿特性。

class Peterson implements Lock {
     private boolean[] flag = new boolean[2];
     private int victim;
     public void lock(){
           int i = ThreadID.get();
           int j = 1 - i;
           flag[i]= true;  // 保证两个线程先后执行不死锁，实现相互排斥 
           victim = i;  // 保证两个线程同一时候执行时不死锁，实现相互排斥
           while(flag[j] && victim == i){}  // 相互排斥意味着等待
     }

     public void unlock(){
           int i = ThreadID.get();
           flag[i] = false;
    }

}

Bakery锁支持n个线程的相互排斥协议。

通过数学证明了：

n线程的无死锁相互排斥算法须要n个不同的存储单元（变量）来保存中间状态。