临界区的实现原理

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转自：http://my.oschina.net/myspaceNUAA/blog/81244

临界区概述：

用于多线程的互斥访问。如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线程进入临界区后，其他试图访问的线程将被挂起，直到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此达到对临界区的互斥访问。（临界区中一般都是一个简短的代码段）
在WINDOWS中，临界区是一种应用层的同步对象，非内核对象。并且临界区优先采用自旋的方式进行抢占

临界区API：

临界区初始化以及删除：

InitializeCriticalSection（）
DeleteCriticalSection（）

临界区两个操作原语：

EnterCriticalSection（）
LeaveCriticalSection（）

临界区数据结构：

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION {
    PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo;
    //
    //  The following three fields control entering and exiting the critical
    //  section for the resource
    //

    LONG LockCount;
    LONG RecursionCount;
    HANDLE OwningThread;        // from the thread's ClientId->UniqueThread
    HANDLE LockSemaphore;
    ULONG_PTR SpinCount;        // force size on 64-bit systems when packed
} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;

_RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG数据结构

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG {
    WORD   Type;
    WORD   CreatorBackTraceIndex;
    struct _RTL_CRITICAL_SECTION *CriticalSection;
    LIST_ENTRY ProcessLocksList;
    DWORD EntryCount;
    DWORD ContentionCount;
    DWORD Flags;
    WORD   CreatorBackTraceIndexHigh;
    WORD   SpareWORD  ;
} RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG, *PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG, RTL_RESOURCE_DEBUG, *PRTL_RESOURCE_DEBUG;

（代码来自VS2005 WINNT.h）

_RTL_CRITICAL_SECTION 各字段解释：

DebugInfo:指向一个调试用的数据，该结构的类型为RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG
LockCount: 初始值-1，若结果大于等于0，表示该临界区已被线程占用。
OwningThread: 当前拥有临界区的线程 
RecursionCount:所有者线程连续进入临界区的次数 
LockSemaphore: 内核对象句柄，用于告知操作系统，该临界区目前处于空闲状态，用于唤醒因等待临界区而挂起的线程

SpinCount:MSDN对该字段做如下解释：

"On multiprocessor systems, if the critical section is unavailable, the calling thread will spin 
dwSpinCount times before performing a wait operation on a semaphore associated with the critical 
section. If the critical section becomes free during the spin operation, the calling thread 
avoids the wait operation."

在多处理器系统中，如果临界区已被占用，那么线程就自旋SpinCount次去获取临界区，而不是通过阻塞等待的方式去获取临界区。如果在自旋的过程中临界区空间，就可以直接进入临界区，减少等待时间（如果进入等待状态，需要用户态内核态的切换，代价较大）。主要意思就是为了提高效率，下面我们会分析什么叫自旋。

临界区API实现过程

InitialzeCriticalSection

在初始化的过程中，会测试CPU的数量，若CPU数量为1，则忙等待没有意义。则SpinCount=0，
若CPU数量大于1，则设置SpinCount，在进入临界区时，会采取主动进入策略。

EnterCriticalSection

1. 若临界区还未被占用，则更新临界区数据结构，表示调用线程已经获得访问临界区的权限，返回。
2. 若线程在已经获取访问权限的情况下，再次EnterCriticalSection，则更新线程获取访问的次数（即连续Enter的次数）。
3. 若临界区已经其他线程占用，则当前线程通过SpinCount来控制忙等的次数，在SpinCount已经等于0还没有获得临界区对象的情况下，函数直接通过临界区对象内部的事件对象进行等待（等待及唤醒涉及到用户态和内核态的切换，不是最优方案，优先采用自旋的方式进入临界区）。忙等待是通过对LockCount进行原子读写操作实现。

可以在如下网址看具体汇编代码：来源：（http://blog.youkuaiyun.com/joeleechj/article/details/7081124）

RtlLeaveCriticalSection

1. _RTL_CRITICAL_SECTION数据结构中相关标志位设置，比如RecursionCount--，如果为0，表示没有线程占用临界区
2. 将当前占有线程句柄设为0，表示现在临界区目前处于有信号状态，可以被获取
3. 若有其他线程在等待，唤醒等待线程

CRITICAL_SECTION和CRITICAL_SECTION_DEBUG之间的关系
（ http://msdn.microsoft.com/zh-cn/magazine/cc164040(en-us).aspx）

通过该数据结构可以发现，在进程中，所有的临界区的DEBUG信息通过链表进行串接。在已知某个临界区对象的
情况下，通过链表数据结构，可以访问到数据的临界区对象。

自旋：

对于临界区的操作，（EnterCriticalSection）操作，采用的是主动进入临界区。意思就是，当没有能够进入时，不停的主动尝试进入，直至进入为止。这种主动进入的方式，称为自旋（也叫忙等待）。
被动方式：获取不到后，进入等待队列，当要获取的对象被释放后，系统唤醒等待的线程，这个方式叫做被动方式。