面试题：并发与同步：锁竞争对系统性能的影响及平衡方法

Question

在多线程编程环境中，简单描述锁竞争是如何产生的？它对系统性能可能会带来哪些具体开销？列举至少两种在实际项目中平衡锁竞争与性能开销的常见策略。

Answer 1

锁竞争的产生

在多线程编程中，当多个线程试图同时访问并修改共享资源时，就会产生锁竞争。每个线程在访问共享资源前需要先获取对应的锁，如果一个线程已经持有了锁，其他线程就必须等待该锁被释放，这些等待获取锁的线程之间就形成了锁竞争。

对系统性能的具体开销

1. CPU 时间浪费：等待锁的线程处于阻塞状态，但仍占用系统资源，CPU 需要不断调度线程上下文，造成额外的 CPU 开销。
2. 线程上下文切换开销：当线程因无法获取锁而被阻塞，操作系统需要保存该线程的当前状态，并切换到其他可运行的线程。这个过程涉及寄存器值的保存与恢复、内存映射的切换等操作，消耗时间和资源。
3. 吞吐量下降：由于线程等待锁，整体任务的执行进度变慢，系统的吞吐量（单位时间内完成的任务数量）会降低。

平衡锁竞争与性能开销的常见策略

1. 减小锁粒度：
   • 描述：将大的锁保护范围分割成多个小的锁，每个锁只保护一小部分共享资源。这样，不同线程可以同时访问不同部分的共享资源，减少锁竞争的可能性。
   • 示例：在一个包含多个数据项的哈希表中，如果使用一个大锁保护整个哈希表，每次只有一个线程能访问。若为每个哈希桶设置单独的锁，不同线程可以同时访问不同哈希桶的数据，提高并发度。
2. 锁分段：
   • 描述：类似减小锁粒度，把共享资源按照某种规则（如数据范围、功能模块等）分成多个段，每个段使用独立的锁进行保护。
   • 示例：在一个数据库表中，按照记录的 ID 范围划分成多个段，不同线程对不同 ID 范围的记录操作时，可以同时获取各自段的锁，降低锁竞争。
3. 读写锁分离：
   • 描述：如果共享资源的操作以读为主，写操作为辅，可以使用读写锁。读操作可以并发执行，因为读操作不会修改共享资源状态，不会产生数据不一致问题；而写操作则需要独占锁，以保证数据的一致性。
   • 示例：在一个缓存系统中，多个线程频繁读取缓存数据，偶尔有线程更新缓存。此时可以使用读写锁，读操作使用读锁并发执行，写操作使用写锁独占执行。