排队买奶茶秒懂线程锁

文章摘要

本文用奶茶店排队买奶茶的比喻，生动解释了三种并发控制机制：1）原子加锁——直接购买（无人排队时）；2）自旋——短暂等待（前面人少时）；3）阻塞——排队叫号（人多时）。这三种方式分别对应高效抢占、短时等待和长时挂起的场景，正如pthread_mutex_lock采用的"先抢-再等-最后挂起"策略，在保证效率的同时合理利用系统资源。文章通过生活场景类比，清晰说明了不同锁机制的应用场景和优劣。

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1. 原子加锁 —— 试试能不能直接买到

想象你去奶茶店，发现柜台前没人排队，你直接走上去，一把就拿到了点单的机会，马上下单买奶茶。这就像原子加锁：

“柜台没人，我直接上！”

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2. 自旋 —— 站在柜台旁边等一小会儿

如果你发现柜台前有一个人正在点单，但你觉得他很快就会点完，于是你就在柜台旁边等着，时不时探头看看他点完没有。
这就是自旋：

“他快点完了吧？我再等一会儿，说不定马上轮到我了！”

你不会离开柜台，也不会去干别的事，就是原地等着，随时准备冲上去。

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3. 阻塞 —— 排到长队里，等叫号

如果你发现前面的人点单很慢，或者前面排了好几个人，你觉得等下去太浪费时间了。于是你决定去旁边的休息区坐着，等服务员叫号。
这就是阻塞：

“算了，前面人太多，我先去休息区，等叫到我再过来。”

你把“排队”的权利交给了服务员（操作系统），等轮到你时，服务员会叫你回来点单。

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4. 总结对比

• 原子加锁：没人排队，直接买到奶茶，效率最高。
• 自旋：前面就一个人，等一小会儿，随时准备冲上去，适合等待时间很短的情况。
• 阻塞：人太多，去休息区等叫号，省力但响应慢一点，适合等待时间较长的情况。

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5. 现实意义

• 这样做的好处是：如果很快能买到奶茶，就不用浪费时间去休息区又回来；但如果要等很久，就不在柜台傻等，去休息区更省力。
• 这正是 pthread_mutex_lock 的三步走策略：先抢、再等、最后挂起，既高效又节省资源。

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我们来用更技术化的比喻，并结合代码和系统层面的实现细节，帮助你深入理解 pthread_mutex_lock 的三步走策略。

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一、技术化比喻

1. 原子加锁（CAS，Compare-And-Swap）

比喻：
就像你和一群同事抢占一台打印机。你们都用一条短信发给打印机：“如果你现在空闲（状态=0），请把状态改成‘我在用’（状态=1）。”
只有第一个发出请求并成功的人能用上打印机，其他人会发现状态已经变了。

技术点：

• 这一步用的是原子操作（如 x86 的 lock cmpxchg 指令），保证多线程下不会出现竞态。
• 代码层面通常是 atomic_compare_and_swap 或 __sync_val_compare_and_swap。

2. 自旋（Spin）

比喻：
没抢到打印机的同事，站在打印机旁边，不断地问：“你空了吗？你空了吗？……”
他们不会离开，也不会做别的事，就是一直盯着打印机，等它空出来。

技术点：

• 线程在用户态死循环检查锁状态，期间会调用 cpu_relax()（如 x86 的 pause 指令）减少功耗和总线压力。
• 代码层面是一个 for 循环，不断尝试原子加锁。

3. 阻塞（Block）

比喻：
如果打印机一直没空，等的人觉得太浪费时间了，于是登记一下，去休息室等着。等打印机空了，管理员（操作系统）会通知他们回来。

技术点：

• 线程调用系统调用（如 Linux 的 futex），把自己挂起，进入内核态，等待被唤醒。
• 这样 CPU 可以去做别的事情，不会被浪费。
• 代码层面是 futex_wait 和 futex_wake。

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二、代码和系统层面实现

1. 原子加锁

if (__sync_bool_compare_and_swap(&mutex->__lock, 0, 1)) {
    // 获得锁，直接返回
    return 0;
}

• 这里的 __sync_bool_compare_and_swap 是 GCC 的原子操作内建函数。

2. 自旋

for (int i = 0; i < SPIN_COUNT; ++i) {
    if (__sync_bool_compare_and_swap(&mutex->__lock, 0, 1)) {
        return 0;
    }
    cpu_relax(); // x86下是pause指令，ARM下是yield
}

• SPIN_COUNT 是自旋的最大次数，通常几十到几百次。
• cpu_relax() 防止CPU过热和总线压力。

3. 阻塞（futex）

while (true) {
    if (__sync_bool_compare_and_swap(&mutex->__lock, 0, 1)) {
        return 0;
    }
    // 进入内核，挂起线程
    futex(&mutex->__lock, FUTEX_WAIT, 1, NULL, NULL, 0);
}

• futex 是 Linux 的系统调用，只有在竞争时才进入内核，平时都在用户态完成。
• 当锁释放时，另一个线程会调用 futex(&mutex->__lock, FUTEX_WAKE, 1, NULL, NULL, 0); 唤醒等待的线程。

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三、系统层面流程图

1. 用户态：先用原子操作抢锁，抢到就走。
2. 用户态：抢不到，短暂自旋（用户态循环）。
3. 内核态：自旋还抢不到，调用 futex 进入内核，线程挂起，等待唤醒。

只有在锁竞争激烈时，才会频繁进入内核，平时都在用户态完成，效率很高。

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四、总结

• 原子加锁：用户态，最快，零开销。
• 自旋：用户态，适合短等待，避免频繁进内核。
• 阻塞：内核态，适合长等待，节省CPU资源。

这种三步走策略，兼顾了性能和资源利用率，是现代高性能多线程库的标准做法。

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