互斥锁与同步锁

原创于 2025-07-14 22:57:04 发布 · 172 阅读

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#操作系统

1. 锁的本质：解决并发问题的基石

在多线程/多进程环境中，临界区（Critical Section） 是访问共享资源的代码段。锁的核心目标是确保互斥访问——任意时刻仅有一个执行单元能进入临界区。

// 典型临界区示例
pthread_mutex_lock(&mutex); 
balance = balance + 100;  // 共享变量操作
pthread_mutex_unlock(&mutex);

2. 硬件级支持：原子指令的魔力

锁的底层依赖硬件提供的原子操作：

TSL（Test and Set Lock）
原子性地读取内存值并设置为新值（通常为1）

enter_region:
    TSL REG, LOCK     ; 复制LOCK值到REG，同时设置LOCK=1
    CMP REG, #0       ; 检查原LOCK值
    JNE enter_region  ; 非0则循环等待
    RET

XCHG（Exchange）
原子交换寄存器与内存内容（现代CPU更常用）
CAS（Compare and Swap）
条件式原子交换（解决ABA问题）

⚠️ 硬件通过锁定内存总线确保原子性，但需注意：

单核CPU可用屏蔽中断实现原子性
多核系统必须依赖原子指令

3. 互斥锁（Mutex）的实现层级

3.1 用户空间锁（如自旋锁）

适用场景：临界区极短（纳秒级）
原理：忙等待（Busy Waiting）

缺陷：CPU空转浪费资源

// 基于原子指令的自旋锁
void spin_lock(int *lock) {
    while (__sync_lock_test_and_set(lock, 1));
}

3.2 内核辅助锁（如Futex）

混合架构：用户态快速路径 + 内核态慢速路径
Linux Futex工作流程：
1. 尝试原子操作获取锁（用户态）
2. 若失败则调用futex(FUTEX_WAIT)陷入内核
3. 锁释放时通过futex(FUTEX_WAKE)唤醒等待者
优势：无竞争时无需系统调用

3.3 内核级锁（如pthread_mutex）

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
pthread_mutex_lock(&mutex);    // 可能触发系统调用
/* 临界区操作 */
pthread_mutex_unlock(&mutex);

内核行为：
- 锁空闲时直接获取
- 锁占用时线程进入睡眠态，释放CPU

4. 同步锁的经典范式：生产者-消费者模型

sem_t empty = N;  // 空缓冲区数量
sem_t full = 0;   // 已填充缓冲区数量
pthread_mutex_t mutex; // 缓冲区互斥锁

// 生产者
void producer() {
    sem_wait(&empty);      // 等待空位
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    insert_item(data);     // 安全写入
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sem_post(&full);       // 增加资源计数
}

// 消费者
void consumer() {
    sem_wait(&full);       // 等待数据
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    data = remove_item();  // 安全取出
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
    sem_post(&empty);      // 增加空位
}