linux锁

最新推荐文章于 2025-05-21 16:18:52 发布

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自旋锁（spinlock）很好理解。对自旋锁加锁的操作，你可以认为是类似这样的：

while (抢锁(lock) == 没抢到) {
}

只要没有锁上，就不断重试。显然，如果别的线程长期持有该锁，那么你这个线程就一直在 while while while 地检查是否能够加锁，浪费 CPU 做无用功。

仔细想想，其实没有必要一直去尝试加锁，因为只要锁的持有状态没有改变，加锁操作就肯定是失败的。所以，抢锁失败后只要锁的持有状态一直没有改变，那就让出 CPU 给别的线程先执行好了。这就是互斥器（mutex）也就是题目里的互斥锁（不过个人觉得既然英语里本来就不带 lock，就不要称作锁了吧）。对互斥器加锁的操作你可以认为是类似这样的：

while (抢锁(lock) == 没抢到) {
    本线程先去睡了请在这把锁的状态发生改变时再唤醒(lock);
}

操作系统负责线程调度，为了实现「锁的状态发生改变时再唤醒」就需要把锁也交给操作系统管理。所以互斥器的加锁操作通常都需要涉及到上下文切换，操作花销也就会比自旋锁要大。

以上两者的作用是加锁互斥，保证能够排它地访问被锁保护的资源。

不过并不是所有场景下我们都希望能够独占某个资源，很快你可能就会不得不写出这样的代码：

// 这是「生产者消费者问题」中的消费者的部分逻辑
// 等待队列非空，再从队列中取走元素进行处理

加锁(lock);  // lock 保护对 queue 的操作
while (queue.isEmpty()) {  // 队列为空时等待
    解锁(lock);
    // 这里让出锁，让生产者有机会往 queue 里安放数据
    加锁(lock);
}
data = queue.pop();  // 至此肯定非空，所以能对资源进行操作
解锁(lock);
消费(data);  // 在临界区外做其它处理

你看那个 while，这不就是自己又搞了一个自旋锁么？区别在于这次你不是在 while 一个抽象资源是否可用，而是在 while 某个被锁保护的具体的条件是否达成。

有了前面自旋锁、互斥器的经验就不难想到：「只要条件没有发生改变，while 里就没有必要再去加锁、判断、条件不成立、解锁，完全可以让出 CPU 给别的线程」。不过由于「条件是否达成」属于业务逻辑，操作系统没法管理，需要让能够作出这一改变的代码来手动「通知」，比如上面的例子里就需要在生产者往 queue 里 push 后「通知」!queue.isEmpty() 成立。

也就是说，我们希望把上面例子中的 while 循环变成这样：

while (queue.isEmpty()) {
    解锁后等待通知唤醒再加锁(用来收发通知的东西, lock);
}

生产者只需在往 queue 中 push 数据后这样，就可以完成协作：

触发通知(用来收发通知的东西);
// 一般有两种方式：
//   通知所有在等待的（notifyAll / broadcast）
//   通知一个在等待的（notifyOne / signal）

这就是条件变量（condition variable），也就是问题里的条件锁。它解决的问题不是「互斥」，而是「等待」。

至于读写锁（readers-writer lock），看英文可以顾名思义，在执行加锁操作时需要额外表明读写意图，复数读者之间并不互斥，而写者则要求与任何人互斥。读写锁不需要特殊支持就可以直接用之前提到的几个东西实现，比如可以直接用两个 spinlock 或者两个 mutex 实现：

void 以读者身份加锁(rwlock) {
    加锁(rwlock.保护当前读者数量的锁);
    rwlock.当前读者数量 += 1;
    if (rwlock.当前读者数量 == 1) {
        加锁(rwlock.保护写操作的锁);
    }
    解锁(rwlock.保护当前读者数量的锁);
}