使用 python 实现简单的共享锁和排他锁

本文经过代码实操讲解了如何使用 python 实现简单的共享锁和排他锁。
上篇文章回顾： 记一次容量提高5倍的HttpDns业务Cache调优

共享锁和排它锁

一、什么是共享锁

共享锁又称为读锁。

从多线程的角度来说，共享锁容许多个线程同时访问资源，可是对写资源只能又一个线程进行。

从事务的角度来说，若事务 T 对数据 A 加上共享锁，则事务 T 只能读 A； 其余事务也只能对数据 A 加共享锁，而不能加排他锁，直到事务 T 释放 A 上的 S 锁。这就保证了其余事务能够读 A，可是在事务 T 释放 A 上的共享锁以前，不能对 A 作任何修改。

二、什么是排它锁

排他锁又成为写锁。

从多线程的角度来说，在访问共享资源以前对进行加锁操做，在访问完成以后进行解锁操做。 加锁后，任何其余试图再次加锁的线程会被阻塞，直到当前进程解锁。若是解锁时有一个以上的线程阻塞，那么全部该锁上的线程都被编程就绪状态， 第一个变为就绪状态的线程又执行加锁操做，那么其余的线程又会进入等待。 在这种方式下，只有一个线程可以访问被互斥锁保护的资源。

从事务的角度来说，若事务T对数据对象A加上排它锁，则只容许T读取和修改数据A，其余任何事务都不能再对A加任何类型的锁，直到事务T释放X锁。它能够防止其余事务获取资源上的锁，直到事务末尾释放锁。

InnoDB 中的行锁

InnoDB实现了如下两种类型的行锁：

共享锁（S）：容许一个事务去读一行，阻止其余事务得到相同数据集的排他锁。

排他锁（X）：容许得到排他锁的事务更新数据，阻止其余事务取得相同数据集的共享读锁和排他写锁。

另外，为了容许行锁和表锁共存，实现多粒度锁机制，InnoDB 还有两种内部使用的意向锁（Intention Locks），这两种意向锁都是表锁。

意向共享锁（IS）：事务打算给数据行加行共享锁，事务在给一个数据行加共享锁前必须先取得该表的 IS 锁。

意向排他锁（IX）：事务打算给数据行加行排他锁，事务在给一个数据行加排他锁前必须先取得该表的 IX 锁。

若是一个事务请求的锁模式与当前的锁兼容，InnoDB 就将请求的锁授予该事务；反之，若是二者不兼容，该事务就要等待锁释放。

意向锁是 InnoDB 自动加的，不需用户干预。对于 UPDATE、DELETE 和 INSERT 语句，InnoDB 会自动给涉及数据集加排他锁（X）；对于普通SELECT语句，InnoDB 不会加任何锁；事务能够经过如下语句显示给记录集加共享锁或排他锁。

共享锁（S）：

SELECT * FROM table_name WHERE ... LOCK IN SHARE MODE复制代码

排他锁（X）：

SELECT * FROM table_name WHERE ... FOR UPDATE复制代码

用 SELECT ... IN SHARE MODE得到共享锁，主要用在须要数据依存关系时来确认某行记录是否存在，并确保没有人对这个记录进行UPDATE或者DELETE操做。可是若是当前事务也须要对该记录进行更新操做，则颇有可能形成死锁，对于锁定行记录后须要进行更新操做的应用，应该使用 SELECT... FOR UPDATE 方式得到排他锁。

使用Python实现

一、代码实现

很少说，直接上代码：

# -*- coding: utf-8 -*-import threadingclass Source: # 队列成员标识 __N = None # 排他锁 __X = 0 # 意向排他锁 __IX = 1 # 共享锁标识 __S = 2 # 意向共享标识 __IS = 3 # 同步排他锁 __lockX = threading.Lock() # 事件通知 __events = [ threading.Event(), threading.Event(), threading.Event(), threading.Event() ] # 事件通知队列 __eventsQueue = [ [], [], [], [] ] # 事件变动锁 __eventsLock = [ threading.Lock(), threading.Lock(), threading.Lock(), threading.Lock() ] # 相互互斥的锁 __mutexFlag = {} # 锁类 class __ChildLock: # 锁标识 __flag = 0 # 锁定的资源 __source = None def __init__(self, source, flag): self.__flag = flag self.__source = source # 加锁 def lock(self): self.__source.lock(self.__flag) # 解锁 def unlock(self): self.__source.unlock(self.__flag) def __init__(self): self.__initMutexFlag() self.__initEvents() # 不建议直接在外面使用，以避免死锁 def lock(self, flag): # 若是是排他锁，先进进行枷锁 if flag == self.__X: self.__lockX.acquire() self.__events[flag].wait() self.__lockEvents(flag) # 不建议直接在外面使用，以避免死锁 def unlock(self, flag): self.__unlockEvents(flag) if flag == self.__X: self.__lockX.release() # 获取相互互斥 def __getMutexFlag(self, flag): return self.__mutexFlag[flag] def __initMutexFlag(self): self.__mutexFlag[self.__X] = [self.__X, self.__IX, self.__S, self.__IS] self.__mutexFlag[self.__IX] = [self.__X, self.__S] self.__mutexFlag[self.__S] = [self.__X, self.__IX] self.__mutexFlag[self.__IS] = [self.__X] def __initEvents(self): for event in self.__events: event.set() # 给事件加锁， 调用 wait 时阻塞 def __lockEvents(self, flag): mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag) for i in mutexFlags: # 为了保证原子操做，加锁 self.__eventsLock[i].acquire() self.__eventsQueue[i].append(self.__N) self.__events[i].clear() self.__eventsLock[i].release() # 给事件解锁， 调用 wait 不阻塞 def __unlockEvents(self, flag): mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag) for i in mutexFlags: # 为了保证原子操做，加锁 self.__eventsLock[i].acquire() self.__eventsQueue[i].pop(0) if len(self.__eventsQueue[i]) == 0: self.__events[i].set() self.__eventsLock[i].release() # 获取锁 def __getLock(self, flag): lock = self.__ChildLock(self, flag) lock.lock() return lock # 获取 X 锁 def lockX(self): return self.__getLock(self.__X) # 获取 IX 锁 def lockIX(self): return self.__getLock(self.__IX) # 获取 S 锁 def lockS(self): return self.__getLock(self.__S) # 获取 IS 锁 def lockIS(self): return self.__getLock(self.__IS)复制代码

使用方式：

from lock import Source# 初始化一个锁资源source = Source()# 获取资源的X锁，获取不到则线程被阻塞，获取到了继续往下执行lock = source.lockX() lock.unlock()lock = source.lockIX() lock.unlock()lock = source.lockS() lock.unlock()lock = source.lockIS() lock.unlock()复制代码

二、实现思路

以 S 锁为例，获取锁的步骤以下：

• 检测 S 锁是否能够取到，取到了话继续执行，没有取到则阻塞，等待其余线程解锁唤醒。

• 获取与 S 锁相互冲突的锁（IX，X），并将 IX 锁和 X 锁 锁住，后续想得到 IX 锁或者 X 锁的线程就会被阻塞。

• 向 IX 锁和 X 锁的标识队列插入标识，若是此时另一个线程拿到了 IS 锁，则会继续想 IX 锁队列标识插入标识。

• 完成加锁，返回 S 锁。

以 S 锁为例，解锁的步骤以下：

• 获取与 S 锁相互冲突的锁（IX，X），向 IX 锁和 X 锁的标识队列移除一个标识。

• 判断 IX 锁和 X 锁队列标识是否为空，若是不为空，则继续锁定，为空则解锁并唤醒被 IX 锁和 X 锁阻塞的线程。

• 完成 S 锁解锁。

三、锁兼容测试

测试代码

# -*- coding: utf-8 -*-import threadingimport timefrom lock import Source# 初始化资源source= Source()maplockname=['X','IX','S','IS']class MyThread(threading,Thread): flag = None def __init__(self, flag): super().__init__() self.flag = flag def run(self): lock = self.lock() time1 = time.time() strtime1 = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime(time1)) print('我拿到 %s 锁，开始执行了喔，如今时间是 %s' % (maplockname[self.flag], strtime1)) time.sleep(1) time2 = time.time() strtime2 = time.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S", time.localtime(time2)) print('我释放 %s 锁，结束执行了，如今时间是 %s' % (maplockname[self.flag], strtime2)) lock.unlock() def lock(self): if self.flag == 0: return source.lockX() elif self.flag == 1: return source.lockIX() elif self.flag == 2: return source.lockS() else: return source.lockIS() def unlock(self, lock): lock.unlock()def test_lock(): for x in range(0, 4): for y in range(0, 4): time1 = time.time() thread1 = MyThread(x) thread2 = MyThread(y) thread1.start() thread2.start() thread1.join() thread2.join() time2 = time.time() difftime = time2 - time1 if difftime > 2: print('%s 锁和 %s 锁 冲突了！' % (maplockname[x], maplockname[y])) elif difftime > 1: print('%s 锁和 %s 锁 没有冲突！' % (maplockname[x], maplockname[y])) print('')if __name__ == '__main__': test_lock()复制代码

运行结果：

我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:09我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:10我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:10我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:11X 锁和 X 锁 冲突了！我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:11我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:12我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:12我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:13X 锁和 IX 锁 冲突了！我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:13我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:14我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:14我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:15X 锁和 S 锁 冲突了！我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:15我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:16我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:16我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:17X 锁和 IS 锁 冲突了！我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:17我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:18我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:18我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:19IX 锁和 X 锁 冲突了！我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:19我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:19我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:20我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:20IX 锁和 IX 锁 没有冲突！我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:20我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:21我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:21我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:22IX 锁和 S 锁 冲突了！我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:22我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:22我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:23我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:23IX 锁和 IS 锁 没有冲突！我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:23我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:24我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:24我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:25S 锁和 X 锁 冲突了！我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:25我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:26我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:26我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:27S 锁和 IX 锁 冲突了！我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:27我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:27我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:28我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:28S 锁和 S 锁 没有冲突！我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:28我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:28我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:29我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:29S 锁和 IS 锁 没有冲突！我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:29我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:30我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:30我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:31IS 锁和 X 锁 冲突了！我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:31我拿到 IX 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:31我释放 IX 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:32我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:32IS 锁和 IX 锁 没有冲突！我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:32我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:32我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:33我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:33IS 锁和 S 锁 没有冲突！我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:33我拿到 IS 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 18:38:33我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:34我释放 IS 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 18:38:34IS 锁和 IS 锁 没有冲突！复制代码

四、公平锁与非公平锁

（1）问题分析

仔细想了想，若是有一种场景，就是用户一直再读，写获取不到锁，那么不就形成脏读吗？这不就是因为资源的抢占不就是非公平锁形成的。如何避免这个问题呢？这就涉及到了公平锁与非公平锁。

对产生的结果来讲，若是一个线程组里，能保证每一个线程都能拿到锁，那么这个锁就是公平锁。相反，若是保证不了每一个线程都能拿到锁，也就是存在有线程饿死，那么这个锁就是非公平锁。

（2）非公平锁测试

上述代码锁实现的是非公平锁，测试代码以下：

def test_fair_lock():    threads = []        for i in range(0, 10):                  if i == 2:                       # 0 表明排他锁（X） threads.append(MyThread(0)) else: # 2 表明共享锁（S） threads.append(MyThread(2)) for thread in threads: thread.start()复制代码

运行结果：

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:33我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:06:34我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:06:35复制代码

能够看到因为资源抢占问题，排他锁被最后才被获取到了。

（3）公平锁的实现

实现公平锁，只须要在原有的代码进行小小得修改就好了。

class Source:    # ...... 省略 def __init__(self, isFair=False): self.__isFair = isFair self.__initMutexFlag() self.__initEvents() # ...... 省略 def lock(self, flag): # 若是是排他锁，先进进行枷锁 if flag == self.__X: self.__lockX.acquire() if self.__isFair: # 若是是公平锁则，先将互斥的锁给阻塞，防止其余线程进入 self.__lockEventsWait(flag) self.__events[flag].wait() self.__lockEventsQueue(flag) else: # 若是是非公平锁，若是锁拿不到，则先等待 self.__events[flag].wait() self.__lockEvents(flag) def __lockEventsWait(self, flag): mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag) for i in mutexFlags: # 为了保证原子操做，加锁 self.__eventsLock[i].acquire() self.__events[i].clear() self.__eventsLock[i].release() def __lockEventsQueue(self, flag): mutexFlags = self.__getMutexFlag(flag) for i in mutexFlags: # 为了保证原子操做，加锁 self.__eventsLock[i].acquire() self.__eventsQueue[i].append(self.__N) self.__eventsLock[i].release()复制代码

测试代码：

source = Source(True)def test_fair_lock():    threads = []        for i in range(0, 10):                  if i == 2:                            # 0 表明排他锁（X） threads.append(MyThread(0)) else: # 2 表明共享锁（S） threads.append(MyThread(2)) for thread in threads: thread.start()复制代码

运行结果：

我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:16我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:16我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:17我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:17我拿到 X 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:17我释放 X 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我拿到 S 锁了，开始执行了喔，如今时间是 2019-02-17 19:35:18我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:19我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:19我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:19我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:19我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:19我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:19我释放 S 锁了，结束执行了，如今时间是 2019-02-17 19:35:19复制代码

能够看到排他锁在第二次的时候就被获取到了。

（4）优缺点

非公平锁性能高于公平锁性能。首先，在恢复一个被挂起的线程与该线程真正运行之间存在着严重的延迟。并且，非公平锁能更充分的利用cpu的时间片，尽可能的减小cpu空闲的状态时间。

参考文献：

共享锁(S锁）和排它锁（X锁）：https://www.jianshu.com/p/bd3b3ccedda9

Java多线程--互斥锁/共享锁/读写锁 快速入门：https://www.jianshu.com/p/87ac733fda80

Java多线程 -- 公平锁和非公平锁的一些思考：https://www.jianshu.com/p/eaea337c5e5b

MySQL－ InnoDB锁机制：https://www.cnblogs.com/aipiaoborensheng/p/5767459.html

文章首发于共公众号“小米运维”，点击查看原文。