- 正确答案：在日常编程中常用的锁包括互斥锁（Mutex）、读写锁（ReadWrite Lock）、自旋锁（Spinlock）、条件变量（Condition Variable）以及信号量（Semaphore）。它们主要用于多线程环境下保护共享资源，防止数据竞争和不一致。典型使用场景包括：多个线程访问全局变量、线程安全的单例模式、生产者-消费者模型、缓存更新、计数器等。 - 解答思路：首先明确“锁”的本质是同步机制，用于协调多个线程对共享资源的访问。然后列举常见的锁类型，逐一说明其特点和适用场景。重点在于理解不同锁的设计目标和性能权衡，例如互斥锁适合简单互斥，读写锁适合读多写少，自旋锁适合短临界区等。最后结合实际编码经验或典型并发问题来说明使用场景。 - 深度知识讲解： 1. 互斥锁（Mutex）： - 原理：同一时刻只允许一个线程进入临界区，其他线程会被阻塞（进入睡眠状态），直到持有锁的线程释放锁。 - 底层实现：通常由操作系统内核支持，如Linux中的futex（fast userspace mutex）。当竞争不激烈时在用户态完成，避免系统调用开销；竞争激烈时陷入内核排队。 - 适用场景：保护临界资源，如共享变量、链表操作、文件写入等。 - 缺点：线程阻塞带来上下文切换开销。 2. 读写锁（ReadWrite Lock）： - 原理：允许多个读线程同时访问，但写线程独占访问。即“读共享、写独占”。 - 实现机制：内部维护读计数器和写等待标志。当有写请求时，后续读请求也可能被阻塞（避免写饥饿）。 - 适用场景：配置管理器、缓存（如LRU缓存）、数据库连接池等读多写少的场景。 - 示例：Java中的ReentrantReadWriteLock，C++中的std::shared_mutex。 3. 自旋锁（Spinlock）： - 原理：线程不进入睡眠，而是循环检查锁是否可用（忙等待）。适用于锁持有时间极短的情况。 - 实现依赖原子操作，如test-and-set、compare-and-swap（CAS）。 - 优点：避免上下文切换开销。 - 缺点：浪费CPU资源，不适合长时间持有锁。 - 适用场景：内核编程、高频短临界区操作、SMP系统中低延迟同步。 4. 条件变量（Condition Variable）： - 配合互斥锁使用，用于线程间通信。允许线程等待某个条件成立（如队列非空）。 - 典型用法：生产者-消费者模型中，消费者在队列为空时等待，生产者放入元素后通知。 - 实现：wait()操作会释放锁并挂起线程；signal()唤醒等待线程。 5. 信号量（Semaphore）： - 计数信号量，表示可用资源的数量。P操作（wait）减少计数，V操作（post）增加计数。 - 二值信号量等价于互斥锁。 - 使用场景：控制资源池的并发访问数（如数据库连接池）、实现线程同步。扩展知识点： - 锁的粒度：粗粒度锁（如整个哈希表加一把锁）性能差但易实现；细粒度锁（如每个哈希桶独立锁）提高并发但复杂。 - 死锁：四个必要条件——互斥、持有并等待、不可抢占、循环等待。预防方法包括按序加锁、超时尝试（try_lock）、死锁检测。 - 无锁编程（Lock-free）：基于CAS、LL/SC等原子指令实现，避免锁的开销，但编程难度高。常见结构如无锁队列、原子计数器。 - 代码示例（C++中使用互斥锁保护共享计数器）： ``` #include #include #include #include std::mutex mtx; int counter = 0; void increment() { for (int i = 0; i < 100000; ++i) { std::lock_guard lock(mtx); counter++; } } int main() { std::vector threads; for (int i = 0; i < 4; ++i) { threads.emplace_back(increment); } for (auto& t : threads) { t.join(); } std::cout << "Final counter value: " << counter << std::endl; return 0; } ``` 解释：多个线程并发调用increment函数，通过std::lock_guard自动加锁和释放，确保counter++的原子性。若无锁，结果将小于预期（400000）。 - 另一个例子：读写锁在缓存中的应用（伪代码） ``` class ConfigCache { private: std::map cache; mutable std::shared_mutex rw_mutex; public: std::string get(const std::string& key) const { std::shared_lock lock(rw_mutex); // 多个读者可同时进入 return cache.at(key); } void update(const std::string& key, const std::string& value) { std::unique_lock lock(rw_mutex); // 写者独占 cache[key] = value; } }; ``` 说明：get方法使用共享锁，允许多个线程同时读；update使用独占锁，保证写时无其他读写操作。总结：选择何种锁取决于具体场景。基本原则是：优先使用最轻量级且满足需求的同步机制。在高层应用中优先使用互斥锁和读写锁；在底层或高性能场景考虑自旋锁或无锁结构。同时注意避免死锁、减少锁持有时间、降低锁竞争。

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