操作系统层面的锁

问题

线程安全的临界区需要依靠锁，而锁的获取必须也要保证自己是线程安全的，也就是说，不能出现两个线程同时得到锁的情况，那么锁是如何保证自己是线程安全的呢？或者说，在操作系统以及CPU层面，锁是如何实现的？

锁的本质

多个进程同时访问某公共变量要进行临界区的互斥访问，不然容易发生冲突，或者集群状态下为了保证各个节点的数据一致性也需要进行同步，实现同步一般都通过锁机制(包括信号量)来完成。但任何锁，追究到底层，都要由操作系统的原子操作来保证

实际上锁就是一个变量，通过这个变量的值来判断是不是已加锁，比如可以定义变量lock=1表示未被加锁，lock=0表示已加锁。那么加锁过程可以描述为：判断变量lock是否等于1，如果lock=1，则将lock改为0表示已加锁，然后进入临界区。这时别的线程也想进入临界区，一判断lock=0，那么将不被允许进入临界区，直到拥有锁的线程释放锁lock，即将lock改为1。

锁的实现

如果不加任何限制条件，我们可能会发现，这样的方式会造成一些冲突：
线程a想要进入临界区，判断lock=1，可以进入临界区，此时在另一个cup核执行的线程b也判断lock=1，也会进入临界区，这样两个线程都会访问临界变量，发生冲突。

锁是如何保证同一时刻只有一个线程（协程）访问临界区的，这涉及到锁的具体实现。
最简单的方法禁用中断就可以，而且要禁用所有cup核的中断。这就是解决思路，但是实际并不是这么操作的，因为屏蔽中断会导致系统效率低下
一般来说，锁的实现依赖底层的硬件指令，TAS（Test And Set）和 CAS（Compare And Set）是其中两个被广泛使用的硬件指令。
Test And Set
TAS指令的语义是：向某个内存地址写入值1，并且返回这块内存地址存的原始值。TAS指令是原子的，这是由实现TAS指令的硬件保证的（这里的硬件可以是CPU，也可以是实现了TAS的其他硬件）。

同TAS一样，CAS也是由硬件支持的原子操作。在x86架构中，CAS对应的汇编指令是CMPXCHG。
CAS的语义是：比较某个内存地址的值与一个给定值（这个给定值是上一刻从此内存地址读出来的），如果相等，则把一个新值写入到此内存地址

这些硬件支持的指令会阻塞其他cpu核对相关内存的缓存块的访问，从而达到原子效果