Linux自旋锁和读写锁

        在前面的文章中我们已经介绍了有关互斥锁的概念与使用，本篇将开始介绍在 Linux 中的自旋锁和读写锁。这三种锁分别用于在不同的应用场景之中，其中互斥锁最为常用，但是我们需要了解一下其他的锁。

        对于自旋锁和读写锁都介绍了其原理以及接口使用，并且给出了样例代码。

目录

自旋锁

1. 自选锁概念和原理

2. 自旋锁的优缺点与接口使用

3. 自旋锁使用样例代码

读写锁

1. 读者写者模型 vs 生产消费模型

2. 读写锁伪代码和读写锁函数接口

3. 读者优先和写者有限

4. 读写锁使用样例代码

自旋锁

        在使用互斥锁对我们的临界资源上锁时，当其他线程抢不到锁，则会在系统调用中阻塞起来（操作系统将线程的 tcb 放入到等待队列中），等到抢到锁之后又会将线程唤醒（将线程的 tcb 从等待队列中放入到运行队列中）。但是假若在临界区运行的时间还没有将线程挂起等待的时间长，那么还不如让线程不断的轮询访问我们的锁，不将线程挂起等待，当锁一但释放就可以立即的获取到锁。

        自旋锁的应用中应用层中使用的非常少，但是在操作系统层面使用得很多，因为操作系统不会轻易的将自己挂起等待，所以对于某些资源需要等到访问的时候，通常都是轮询等待。

1. 自选锁概念和原理

        自旋锁概念：一种多线程同步机制，用于保护共享资源免受并发访问的影响。在多个线程尝试获取到锁时，它们会持续旋转（在循环中不断的检查锁是否可用）而不是立即进入休眠状态等待锁的释放。这种机制减少了线程切换的开销（因为假若是阻塞等待则会将线程挂起然后切换，而轮询则是在时间片内一直访问），适用于短时间内锁竞争的情况。但是假若不合理的使用（在临界区的运行时间较长），则会导致 CPU 的浪费。

        原理：自旋锁通常使用一个共享的标志位来表示锁的状态。当标志位为 true 时，表示锁已被某个线程占用；当标志位为 false 的时候，表示锁可用。当一个线程尝试获取自旋锁的时候，会不断的检查标志位。：

        1. 若标志位为 false，表示锁可以使用，线程将标志位设置为 true，表示占用了锁，然后进入到临界区中执行代码；        

        2. 若标志位为 true，表示锁已经被其他先占用，线程会在一个循环中不断自旋等待，直到锁被释放。

        对于自旋锁代码实现的伪代码如下：

typedef _Atomic struct
{
#if __GCC_ATOMIC_TEST_AND_SET_TRUEVAL == 1
_Bool __val;
#else
unsigned char __val;
#endif
} atomic_flag;

// ATOMIC_FLAG_INIT 值为0
atomic_flag spinlock = ATOMIC_FLAG_INIT;

// 尝试获取锁
void spinlock_lock() {
    // 没有获取到锁则一直运行，返回值为true
    // 获取到锁，返回值为false，跳出循环等待
    while (atomic_flag_test_and_set(&spinlock)) {
    // 如果锁被占用，则忙等待
    }
}

// 释放锁
void spinlock_unlock() {
    atomic_flag_clear(&spinlock);
}

atomic_flag_test_and_set 函数检查 atomic_flag 的当前状态。如果
atomic_flag 之前没有被设置过（即其值为 false 或“未设置”状态），则函数会将其
设置为 true（或“设置”状态），并返回先前的值（在这种情况下为 false）。如果
atomic_flag 之前已经被设置过（即其值为 true），则函数不会改变其状态，但会
返回 true。

        对于以上伪代码的实现，特别是对 atomic_flag 的操作一定得是原子的，这样才能保证 atomic_flag 的读取和修改在多线程环境中是不可分割的，同时这样保证了线程安全的问题。