锁

计算机领域中，锁机制使用的非常多。它主要是为了避免多个进程访问同一资源时，可能出现的数据不一致问题。

例如，cat命令输出一个比较大的文件内容，cat命令的特性是需要先将所有磁盘文件数据读取到内存后再输出，所以cat输出一个大文件可能需要花费一些时间。如果在cat在加载文件时，在另一个终端上向这个文件追加了一行数据，那么cat最终加载的数据会包含这行新追加的数据吗？

再更简单的一个示例是，两个用户同时用vim打开一个文件去修改数据，那么以谁修改的数据为准呢？所以，vim为了避免这种问题，每次打开一个文件的时候，都会在文件的同一个目录下创建一个隐藏的.swp临时文件（例如vim a.log时会生成一个.a.log.swp的文件），如果有其它用户用vim去打开同一个文件，会检查这个隐藏文件是否存在，如果存在说明有人正在编辑这个文件。

锁的内容非常多，这里简单介绍下它最基本也最实用的基础知识。

如果不使用锁，也就是允许多个进程同时更新、读取同一份数据，将可能出现以下问题：

1.脏读：读取到脏数据。例如用户A用vim将文件中的字母x修改为了y，用户B在vim保存之前通过cat读取，得到的这个字母将是x，这种现象称为脏读。但其实A已经将它修改为了y，只不过该修改只存在于A的vim缓存中，还没有保存到磁盘文件中。通常，将缓存中修改后但没有保存的数据称为脏数据。

2.更新丢失：某用户的数据更新操作被其它用户覆盖。例如，用户A和用户B同时修改同一文件中的最后一个字符a，A将a修改为x，B将a修改为y，那么A先保存的话，B的修改将覆盖A的修改，最终保存的结果是y，如果B先保存的话，A的修改将覆盖B的修改，最终结果得到字符x。所以，同时修改数据时，有一个进程的更新被覆盖了，也就是丢失了。

除这两个问题之外，在多进程同时更新、读取同一份数据时，还可能会出现其它现象，这里不再多做描述。下面介绍一下锁的机制。

当需要读数据时，将申请读锁，当需要修改数据时，将申请写锁。

申请锁的时候，需要先检查该资源上是否已经有锁，如果有锁，检查已存在的锁与待申请的锁是否可以兼容共存。

读锁和写锁的兼容性如下表：

	S	X
S	YES	NO
X	NO	NO

这个兼容性是很容易理解的：

1.当多个进程都只是读取同一份资源（即都申请S锁），因为没有修改数据，所以可以允许它们同时读取，所以S锁与S锁是可以共存的
2.如果有一个进程修改数据，它将申请X锁，这时显然不能让其它进程读取或写入数据，所以X锁与S锁、X锁和X锁都是互斥的
3.如果一个进程正在读取数据（即已申请S锁），其它进程想修改数据，也是不允许的，所以S锁和X锁是互斥的

这就不难理解，为什么写锁被称为排它锁或互斥锁的缘故：排除异己。

此外，使用锁需要考虑锁的粒度，即对多少资源量上锁。例如，对于一个文件来说，可以直接对整个文件上锁，也可以只对文件中想要访问的那部分数据上锁。如果直接对整个文件上锁，其它进程申请该文件的互斥锁将总是被阻塞，而如果只是锁定该文件中的前10K数据，那么其它进程如果申请的互斥锁从第20K开始的数据，就不会收到影响。

所以，锁的粒度越大，阻止其它进程的可能性就越大，多进程并发的能力就越差。锁的粒度越小，阻止其它进程的可能性就越小，并发的能力就越强。

但是，锁的粒度太小也不一定好，因为每个锁都是需要额外管理的，粒度越小，需要维护的锁数量越多。比如频繁创建锁和频繁释放锁的开销并不一定小，甚至在极端的时候比维护单个粗粒度的锁效率更低。

在shell命令行下，提供了一个flock命令，它可以通过某个文件来实现锁机制：运行某个命令时在某个文件上申请锁（读锁或写锁），另外一个命令运行时也申请该文件上的锁（读锁或写锁），如果锁可以共存，则第二个命令可以执行，否则默认阻塞。

下面是shell命令行下flock命令的简单用法，更详细内容可man flock自行探索。

# 以下代码在终端1上执行
# 在/tmp/a.lock上申请共享锁（-s），申请成功就运行sleep 10命令
# 因为此时/tmp/a.lock上还没有任何锁，所以申请成功
$ flock -s /tmp/a.lock sleep 10

# 以下代码在终端2上执行
# 在/tmp/a.lock上申请互斥锁（-x），申请成功就运行cat /etc/passwd命令
# 因为/tmp/a.lock上已经有共享锁，所以阻塞，直到10s后共享锁释放
$ flock -x /tmp/a.lock cat /etc/passwd