浅谈PHP之线程锁

一、基本介绍

PHP 本身是面向 Web 开发的脚本语言，它主要是单线程的。不过在一些特定场景下，比如使用 PHP 进行命令行脚本开发或者在多进程环境下，我们可能需要使用线程锁来保证数据的一致性和完整性。

二、实现方式

一、基于文件的锁

• 原理
  • 利用文件系统的锁机制来实现。当一个进程需要访问共享资源时，它会尝试对一个特定的文件进行加锁。如果文件已经被其他进程锁定，当前进程就会阻塞等待，直到文件锁被释放。

示例代码

$file = 'lock.txt';

// 获取文件指针
$fp = fopen($file, 'w');

// 加锁
if (flock($fp, LOCK_EX)) { // LOCK_EX 表示排他锁，即同一时间只有一个进程能获取到锁
    // 执行需要同步的代码
    echo "执行同步代码块中的内容" . PHP_EOL;

    // 释放锁
    flock($fp, LOCK_UN);
} else {
    echo "无法获取锁" . PHP_EOL;
}

// 关闭文件指针
fclose($fp);

在这个例子中，当一个进程执行到 flock($fp, LOCK_EX) 时，它会尝试对 lock.txt 文件加锁。如果文件已经被其他进程锁定，当前进程会阻塞在这里。当文件锁被释放后（通过 flock($fp, LOCK_UN)），当前进程才能继续执行后续代码。

二、基于数据库的锁

• 原理
  • 通过在数据库中设置锁记录来实现。可以创建一个专门的锁表，当进程需要访问共享资源时，它会尝试在锁表中插入一条记录或者更新某条记录来获取锁。如果插入或更新操作成功，说明获取到锁；如果失败，说明锁已经被其他进程持有。

示例代码（以 MySQL 为例）

$mysqli = new mysqli("localhost", "my_user", "my_password", "my_db");

// 尝试获取锁
$result = $mysqli->query("INSERT INTO locks (resource_name) VALUES ('my_resource') ON DUPLICATE KEY UPDATE process_id = LAST_INSERT_ID(process_id)");
$id = $mysqli->insert_id;

if ($id > 0) {
    // 获取到锁，执行同步代码
    echo "获取到锁，执行同步代码块中的内容" . PHP_EOL;

    // 释放锁
    $mysqli->query("DELETE FROM locks WHERE id = $id");
} else {
    echo "无法获取锁" . PHP_EOL;
}

$mysqli->close();

这里假设有一个 locks 表，其中 resource_name 字段用于标识需要锁定的资源，process_id 字段用于记录持有锁的进程 ID。通过 INSERT ... ON DUPLICATE KEY UPDATE 语句尝试获取锁，如果插入成功（即 insert_id 大于 0），说明获取到锁；如果插入失败（即存在重复的 resource_name），则无法获取锁。

三、基于内存共享的锁（如使用 APCu 扩展）

• 原理
  • APCu（Alternative PHP Cache user cache）是一个 PHP 扩展，它提供了内存缓存功能。可以利用 APCu 的原子操作来实现锁。当进程需要获取锁时，它会尝试使用 apcu_add 函数在 APCu 缓存中添加一个键值对，如果添加成功，说明获取到锁；如果添加失败（因为键已经存在），说明锁已经被其他进程持有。

示例代码

// 尝试获取锁
if (apcu_add('my_lock', true)) {
    // 获取到锁，执行同步代码
    echo "获取到锁，执行同步代码块中的内容" . PHP_EOL;

    // 释放锁
    apcu_delete('my_lock');
} else {
    echo "无法获取锁" . PHP_EOL;
}

在这个例子中，my_lock 是锁的键名。当一个进程调用 apcu_add('my_lock', true) 时，如果 APCu 缓存中不存在 my_lock 键，它会添加这个键并返回 true，表示获取到锁；如果 my_lock 键已经存在，apcu_add 函数会返回 false，表示无法获取锁。

三、重要事项

一、死锁问题

• 定义
  • 死锁是指两个或多个进程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种僵局，当进程处于这种僵局时，它们既无法继续执行，也无法终止，只能等待。
• 常见场景及避免方法
  • 嵌套锁：如果在持有某个锁的情况下又尝试获取另一个锁，而另一个锁已经被其他进程持有，且该进程也在等待当前进程持有的锁释放，就会发生死锁。例如，进程 A 持有锁 1 并尝试获取锁 2，同时进程 B 持有锁 2 并尝试获取锁 1。
    • 避免方法：尽量避免嵌套锁。如果确实需要嵌套锁，可以采用锁顺序的方式来避免死锁。即规定所有进程获取锁的顺序必须一致。比如，规定先获取锁 1，再获取锁 2，所有进程都按照这个顺序来操作锁，就可以避免死锁的发生。
  • 多个资源锁：当多个进程同时竞争多个资源的锁时，也可能出现死锁。例如，有资源 A 和资源 B，进程 A 持有资源 A 的锁并请求资源 B 的锁，进程 B 持有资源 B 的锁并请求资源 A 的锁。
    • 避免方法：可以采用资源分级的方法。给每个资源分配一个等级，进程在请求锁时，必须按照资源等级从低到高的顺序来获取锁。这样可以避免形成等待环路，从而防止死锁。

二、锁的释放

• 重要性
  • 锁的释放是避免资源饥饿和死锁的关键步骤。如果一个进程获取了锁后，没有正确释放锁，其他进程将永远无法获取该锁，导致资源无法被有效利用。
• 注意事项
  • 确保释放锁：在使用锁的代码块中，一定要确保锁能够在所有可能的执行路径上被释放。可以使用 try...finally 语句来保证锁的释放。例如，在基于文件的锁示例中：

$file = 'lock.txt';
$fp = fopen($file, 'w');

if (flock($fp, LOCK_EX)) {
    try {
        // 执行需要同步的代码
    } finally {
        // 释放锁
        flock($fp, LOCK_UN);
    }
}

fclose($fp);

• 这样即使在执行同步代码块时发生异常，锁也能在 finally 代码块中被释放。
• 避免提前释放锁：在某些情况下，可能会由于逻辑错误导致锁被提前释放。比如，在一个复杂的业务流程中，某个条件分支错误地执行了锁释放操作，而后续代码还需要使用该锁。这可能会导致数据不一致的问题。因此，要仔细审查代码逻辑，确保锁只在合适的时机被释放。

三、锁的粒度

• 定义
  • 锁的粒度是指锁所控制的资源范围的大小。粒度可以很粗，比如锁定整个文件或数据库表；也可以很细，比如锁定文件中的某一行或数据库表中的某一条记录。
• 注意事项
  • 粗粒度锁：虽然实现起来相对简单，但可能会导致资源利用率低下。因为当一个进程锁定整个资源时，其他进程即使只需要访问资源的一部分也会被阻塞。例如，锁定整个数据库表进行更新操作，可能会使其他只需要查询表中部分数据的进程等待。
    • 适用场景：当业务逻辑简单，对性能要求不是特别高，且资源之间的关联性很强时，可以考虑使用粗粒度锁。比如，一个小型的脚本只需要对一个配置文件进行读写操作，使用文件锁来锁定整个配置文件是合适的。
  • 细粒度锁：可以提高资源的并发访问能力，但实现起来相对复杂，且可能会增加锁管理的开销。例如，对数据库表中的每一条记录都加锁，可以允许多个进程同时更新不同的记录，但需要更复杂的锁管理机制来协调这些锁。
    • 适用场景：在高并发的场景下，且资源之间的关联性较弱时，细粒度锁是更好的选择。比如，一个大型的电商平台，需要同时处理多个用户的订单更新操作，对数据库中的订单表使用行级锁可以提高系统的并发处理能力。

四、锁的超时机制

• 定义
  • 锁的超时机制是指在尝试获取锁时，如果在指定的时间内无法获取到锁，则放弃获取锁的操作。这可以避免进程无限期地等待锁，从而提高系统的响应性和稳定性。
• 实现方法及注意事项
  • 基于文件的锁超时示例：

$file = 'lock.txt';
$fp = fopen($file, 'w');

// 设置超时时间
$timeout = 5; // 超时时间为 5 秒
$startTime = time();

while (true) {
    if (flock($fp, LOCK_EX | LOCK_NB)) { // LOCK_NB 表示非阻塞方式获取锁
        // 获取到锁，执行同步代码
        break;
    } else {
        // 检查是否超时
        if (time() - $startTime > $timeout) {
            echo "获取锁超时" . PHP_EOL;
            break;
        }
        // 稍作等待后再次尝试
        usleep(100000); // 等待 0.1 秒
    }
}

// 释放锁
flock($fp, LOCK_UN);
fclose($fp);

• 在这个例子中，通过 LOCK_NB 选项使 flock 函数以非阻塞方式获取锁。如果获取锁失败，就在循环中稍作等待后再次尝试，同时检查是否超时。
• 注意事项：设置合理的超时时间很重要。超时时间过短可能导致进程频繁地尝试获取锁，增加系统开销；超时时间过长又可能使进程等待过久，影响系统的响应性。需要根据具体业务场景和系统性能来调整超时时间。