操作系统中锁的实现

在多线程编程中，为了保证数据操作的一致性，操作系统引入了锁机制，用于保证临界区代码的安全。通过锁机制，能够保证在多核多线程环境中，在某一个时间点上，只能有一个线程进入临界区代码，从而保证临界区中操作数据的一致性。

锁机制的一个特点是它的同步原语都是原子操作。那么操作系统是如何保证这些同步原语的原子性呢？

操作系统之所以能构建锁之类的同步原语，是因为硬件已经为我们提供了一些原子操作，比如：中断禁止和启用（interrupt enable/disable），内存加载和存入（load/store）测试与设置（test and set）指令。禁止中断这个操作是一个硬件步骤，中间无法插入别的操作。同样，中断启用，测试与设置均为一个硬件步骤的指令。在这些硬件原子操作之上，我们便可以构建软件原子操作：锁，睡觉与叫醒，信号量等。

1.以中断启用和禁止来实现锁

要防止一段代码在执行过程中被别的进程插入，就要考虑在一个单处理器上，一个线程在执行途中被切换的途径。我们知道，要切换进程，必须要发生上下文切换，上下文切换只有两种可能：

①一个线程自愿放弃CPU而将控制权交给操作系统调度器（通过yield之类的操作系统调用来实现）

②一个线程被强制放弃CPU而失去控制权（通过中断来实现）

原语执行过程中，我们不会自动放弃CPU控制权，因此要防止进程切换，就要在原语执行过程中不能发生中断。所以采用禁止中断，且不自动调用让出CPU的系统调用，就可以防止进程切换，将一组操作变为原子操作。

lock之中断启用与禁止：

lock()

{

disable interrupt

while(value!=FREE)

{

enable interrupt //使其他线程可以抢占，从而改变value的值

disable interrunpt //只有在这两行语句之间，别的进程才拥有抢占时机

}

value=BUSY

enable interrupt

}

unlock之中断启用与禁止：

unlock()

{

disable interrupts

value=FREE

enable interrupts

}

2.以测试与设置指令来实现锁

原子操作：（设置操作）将1写入到指定内存单元，（读取操作）返回指定内存单元里原来的值，也即写入新值1之前的内容。

测试与设置指令：

test_and_set(x)

{

tmp=x

x=1

return (tmp)

}

test_and_set(x)的操作是将1写入到变量x里，并将写1之前x的值返回。

使用测试与设置指令实现lock：

（value初始值为0，代表锁是打开的。）

lock()

{

while(test_and_lock(value)==1) {} //每次执行完原子操作后都有可能会被抢占

}

如果锁是打开的，即value是0的话，则返回值是0，该指令将value设置为1，获得锁并退出循环。

如果锁是闭合的，即value是1的话，则返回值是1，循环继续。直至成功获得锁为止。

使用测试与设置指令实现unlock：

unlock()

{

value=0 //因为是赋值0,可以直接在总线上产生，不用中断包裹着也没有问题

}

3.以非繁忙等待，中断启用与禁止来实现锁

前面两种锁的实现方式都较为简单，但都有一个问题，就是存在繁忙等待。而繁忙等待浪费资源，我们想到对前两种方法进行改善。改善思路：不进行繁忙等待，在拿不到锁的时候去睡觉，等待别人的叫醒。

先看一种锁操作实现方式：

lock()

{

disable interrupt

if(value==free)

{

value=busy

}

else

{

添加到锁的等待队列

切换到下一个线程

}

enable interrupt

}

使用非繁忙等待中断禁止与启用来实现释放锁操作：

unlock()

{

disable interrupt

value=free

if(有线程在等待锁)

{

移到就绪队列

value=busy

}

enable interrupt

}

但是这种方式存在着问题：是因为切换到别的进程之后，该程序无法再执行，那么后面的中断启用指令就不能执行了。而我们是在中断处于禁止状态下切换到别的进程的，如果别的进程没有执行中断启用或者自动放弃CPU给另一个线程，系统将进入死锁状态。

解决办法是闭锁操作不启用中断，而是留给别的线程去启用中断。

也就是说，我们要求所有线程遵守下列约定：

①所有线程承诺在调用线程切换调用时将中断留在禁止状态。

②所有线程承诺在从切换返回时将中断重新启用。

因此，使用非繁忙等待中断禁止与启用来实现锁操作的正确方式如下：

这里注意，switch表示切换线程；中断的启用与禁止是在系统调用（lock和yield）里面实现的，即由操作系统实现。

4.以最少繁忙等待，测试与设置来实现锁

使用测试与设置来实现锁不可能完全避免繁忙等待，我们的目的就是尽可能降低等待的时间。

我们的中心思想就是：我们只用繁忙等待来执行闭锁的操作，如果不能这样做就放弃CPU。

使用一个额外的变量guard用来保证每次只有一个线程获得value并对其操作。

lock()

{

while(test_and_set(guard)){}

if(value==free)

{

value=busy

guard=0

}

else

{

添加到锁的等待队列

guard=0

切换线程

}

}

unlock()

{

while(test_and_set(guard)){}

value=free

if(有其他线程在等待锁)

{

移到就绪队列

value=busy

}

guard=0

}

我们了解了如何使用中断禁止，测试与设置两种硬件原语来实现软件的锁原语。这两种方式比较起来，显然测试与设置更加简单，也因此使用的更为普遍。此外，test and set还有一个优点，就是可以在多CPU环境下工作，而中断启用和禁止则不能。