高并发锁机制可视化图谱

🔒

互斥锁 Mutex

内核级锁 · 独占访问

等待: 0

共享资源

T1 线程1

T2 线程2

T3 线程3

空闲

运行中

等待

锁定

互斥锁是最基础的同步机制，同一时刻只允许一个线程访问共享资源。其他线程必须等待锁释放。

阻塞等待公平调度上下文切换

                    // Python 示例

                    import threading

                    lock = threading.Mutex()

                    lock.acquire()

                    # 临界区操作

                    lock.release()

🔄

自旋锁 Spinlock

用户级锁 · CPU忙等

重试: 0

共享资源

T1 线程1

T2 线程2

空闲

获取成功

自旋中

自旋锁不会让线程睡眠，而是不停循环检查锁是否可用。适用于锁持有时间极短的场景。

忙等待零切换开销 CPU资源消耗

                    // Go 示例

                    var spin sync.Mutex

                    spin.Lock()

                    // 临界区

                    spin.Unlock()

📖

读写锁 RWLock

优化型锁 · 读写分离

读: 0 | 写: 0

数据

📖 读者1

📖 读者2

✏️ 写者

空闲

读取中

写入中

读写锁支持多个并发读操作，但写操作必须独占。读多写少场景下性能优异。

读并行写独占可能饥饿

                    // Java 示例

                    ReentrantReadWriteLock rwlock = ...

                    rwlock.readLock().lock()

                    // 读取操作

                    rwlock.readLock().unlock()

🚦

信号量 Semaphore

计数型锁 · 限流控制

可用: 2/2

槽1

槽2

T1

T2

T3

T4

信号量维护一个计数器，支持N个并发访问。常用于限制并发数量，如连接池大小控制。

计数控制流量整形非独占

                    // C++ 示例

                    sem_t sem;

                    sem_init(&sem, 0, 2);

                    sem_wait(&sem);

                    // 临界区

                    sem_post(&sem);

⚡

CAS 原子操作

无锁算法 · 乐观并发

0

T1: old=0, new=1 线程1

T2: old=0, new=2 线程2

CAS是CPU级别的原子指令，通过比较预期值与当前值来决定是否更新。失败时重试，适合低冲突场景。

无锁无阻塞 ABA问题

                    // C++ 原子操作

                    std::atomic<int> counter(0);

                    int old = counter.load();

                    counter.compare_exchange_strong(old, old+1);

⏰

条件变量 Condition

同步原语 · 等待通知

等待中: 0

队列

📦 生产者

📤 消费者

👁️ 监控

条件变量允许线程在某个条件不满足时阻塞，等待其他线程发出信号后唤醒。常用于生产者-消费者模式。

wait/notify 精确唤醒需配合锁

                    // Python 示例

                    cond = threading.Condition()

                    cond.wait_for(lambda: has_data)

                    cond.notify()

🌱

乐观锁 Optimistic

版本控制 · 无阻塞

版本: v1

v1 数据

T1: v1→v2 更新者1

T2: v1→v2 更新者2

空闲

提交成功

版本冲突

乐观锁假设冲突很少发生，先操作后验证（检查版本号）。冲突时重试，适用于读多写少场景。

版本号高并发重试开销

                    -- SQL 乐观锁示例

                    UPDATE orders

                    SET status = 'paid', version = version + 1

                    WHERE id = ? AND version = $expected

🌐

分布式锁 Distributed

跨进程 · Redis/etcd

节点: 3/3 在线

节点1

节点2

节点3

分布式资源

客户端1 申请锁

客户端2 申请锁

分布式锁在多个进程/服务器间提供互斥访问。通常基于Redis SETNX或ZooKeeper/etcd实现。

SETNX TTL过期网络延迟

                    // Redis 分布式锁

                    SET lock_key unique_id NX EX 30

                    // 获得锁后操作

                    DEL lock_key unique_id