【趣話計算機底層技術】一個故事看懂各種鎖
我是一個執行緒，一個賣票程式的執行緒。
自從我們執行緒誕生以來，同一個程序地址空間裡允許有多個執行流一起執行，效率提升的同時，也引來了很多麻煩。
我們賣票執行緒的工作很簡單，比如票的總數是100，每賣一張就減1，直到變成0售完為止。
以前單執行緒的時候沒啥問題，但多個執行緒一起執行的時候就發現，有些傢伙讀取到票數是100，減1後變成99，還沒等他把票數寫回去，另外有別的執行緒去讀也是100，也做了同樣的事，結果賣了兩張票，票數才減了1張，一天下來，多賣了很多票，氣的人類差點想砸了我們。
原子操作
我們把這問題反饋給了作業系統大哥，他給我們的解決方案是：讀取票數->票數減1->寫回票數這三個步驟不能被拆分，中途不能被打斷，他說這個叫原子操作。
他給了我們一套原子操作的手冊，裡面不止有減法，還有加法、位運算，只要呼叫手冊裡的原子操作函數，就能保證邏輯的正確性。
我很好奇作業系統大哥是如何實現這個過程的原子化的，他告訴我，如果CPU只有一個核很好辦，執行原子操作的時候，他不切換執行緒就可以。而如果是有多個核，就需要CPU來幫忙了。
你還別說，我們用這個原子操作來賣票後，再也沒有發生超額賣票的問題。
自旋鎖
有一天，我們賣票程式進行了升級，不再是直接讀取票數->票數減1->寫回票數這麼簡單，還需要安排座位，現在變成了：
我們一翻手冊，沒有哪個原子操作函數能滿足我們的功能，畢竟安排座位這個操作是咱們賣票程式自己的事兒，一點也不通用，作業系統大哥肯定不會專門為我們開發一個原子操作函數。
我們只好再一次求助作業系統大哥，他一看就說：「你們這個問題，用自旋鎖就可以解決」
鎖？我們還是第一次聽說這玩意，不知道是什麼意思。
作業系統告訴我們，讓我們回去建立一個鎖，這鎖裡面有一個狀態標記來表示當前有沒有被佔用，所有執行緒在執行賣票操作之前，都得先去獲取這個鎖，如果鎖被佔用了，執行緒就會阻塞在獲取函數那裡，獲取函數內部會不斷迴圈去檢查，直到別的執行緒釋放後才返回。
因為獲取鎖的時候執行緒會一直迴圈檢查狀態，所以這鎖也叫自旋鎖。
現在，我們的工作流程變成了：
我們又可以愉快地賣票了！
互斥鎖
我們的業務發展很快，後來，我們用上了資料庫，把票的數量寫到了資料庫裡面，於是我們的工作流程變成了：
本以為只是把票數從本地記憶體搬到了資料庫，應該沒什麼不一樣，結果發現我們執行經常出錯，還莫名其妙地被殺掉程序。
我們向作業系統大哥大倒苦水，沒想到他卻說：「你們還好意思訴苦，你們獲取自旋鎖後搞那麼耗時的操作，讓別的執行緒一直自旋等待，把CPU都跑得飛起，風扇都轉個不停···」
我們都羞愧地低下了頭，原來，把票數從本地記憶體搬到了資料庫，差別這麼大。
作業系統又接著說道：「自旋鎖因為會使得執行緒一直阻塞自旋，沒有讓出CPU，所以只適合處理比較快速的場合，像讀取資料庫這種很耗時的操作，不能用它，會白白浪費CPU時間！」
我們又詢問：「有沒有別的不浪費CPU的辦法呢？」
作業系統大哥又給我們介紹了一個叫互斥鎖的東西，聽說獲取這個鎖的時候，執行緒不會去自旋檢查，而是把自己放到這把鎖的等待佇列中，然後就交出CPU執行許可權，進入睡眠，看起來就跟阻塞一樣，等到後面別的執行緒釋放鎖之後，再去喚醒它的等待佇列裡的執行緒繼續執行。
回去以後我們就用上了互斥鎖，現在我們的流程變成了這樣：
我們又又能愉快地賣票了！
條件變數
有一天，我們的賣票程式又進行了升級，21-100號票價格比較便宜，交給其他執行緒來賣，1-20號票價格比較貴，交給我來賣。
現在，我們不同的執行緒賣的票不一樣了。
別的執行緒的流程是這樣：
而我的流程是這樣：
使用互斥鎖倒也沒什麼問題，可就是我經常拿到鎖以後發現票號還大於20，不該我處理，只好默默的釋放鎖，白白把我喚醒，卻什麼也沒幹！
空手而回的次數多了以後，我又去請教作業系統大哥，能不能讓我指定一個條件，等條件滿足了再喚醒我執行，別讓我白跑。
沒想到還真有辦法！作業系統告訴了我一個叫條件變數的東西，等待條件變數的執行緒平時阻塞著，別的執行緒發現條件滿足之後，就將條件變數啟用，那個時候等待的執行緒才會被喚醒。
回去之後，我跟我的小夥伴兒們商量了一下，我們建立了一個條件變數，等到它們發現票號小於等於20的時候，就把條件變數啟用，我就會被喚醒，再也不用白跑了！
號誌
互斥鎖和條件變數真是好東西，幫了我們大忙，不僅幫我們解決了賣票的問題，我們還在其他很多地方使用它，我們遇到的絕大多數同步和互斥問題都可以用它們來解決。
直到有一天，我們遇到了一個新的問題。
我們的票越賣越好，從100到1000，票的數量越來越多，來找我們買票的客戶也越來越多。
因為每次售票都要存取資料庫，連線它的執行緒有些多，那傢伙有些吃不消了。
希望我們控制一下存取資料庫的執行緒數量。
我們很自然的想到了互斥鎖，只有拿到鎖的執行緒才能去存取資料庫。
可這互斥鎖名叫互斥，只能允許一個執行緒拿到鎖，總不能只允許一個執行緒存取資料庫吧，那可不行。所以我們希望這個名額能放寬，允許多個執行緒同時獲得鎖。
我們再一次找到了作業系統大哥，大哥拿出了他的絕招——號誌。
他告訴我們，這號誌就像一個升級版的互斥鎖，它裡面有一個計數器，可以用來指定最多允許多少個執行緒同時獲得它。
這正是我們想要的鎖！
很快我們用上了號誌，我們又又又能愉快地賣票了！
Tips：在號誌一節中，實際上資料庫能承受的並行量遠不止這點，這裡為了故事情節需要，弱化了資料庫的並行承受能力。