嵌入式 自旋锁、互斥锁、读写锁、递归锁

互斥锁(mutexlock):

最常使用于线程同步的锁;标记用来保证在任一时刻,只能有一个线程访问该对象,同一线程多次加锁操作会造成死锁;临界区和互斥量都可用来实现此锁,通常情况下锁操作失败会将该线程睡眠等待锁释放时被唤醒

自旋锁(spinlock):

同样用来标记只能有一个线程访问该对象,在同一线程多次加锁操作会造成死锁;使用硬件提供的swap指令或test_and_set指令实现;同互斥锁不同的是在锁操作需要等待的时候并不是睡眠等待唤醒,而是循环检测保持者已经释放了锁,这样做的好处是节省了线程从睡眠状态到唤醒之间内核会产生的消耗,在加锁时间短暂的环境下这点会提高很大效率

读写锁(rwlock):

高级别锁,区分读和写,符合条件时允许多个线程访问对象。处于读锁操作时可以允许其他线程和本线程的读锁, 但不允许写锁, 处于写锁时则任何锁操作都会睡眠等待;常见的操作系统会在写锁等待时屏蔽后续的读锁操作以防写锁被无限孤立而等待,在操作系统不支持情况下可以用引用计数加写优先等待来用互斥锁实现。 读写锁适用于大量读少量写的环境,但由于其特殊的逻辑使得其效率相对普通的互斥锁和自旋锁要慢一个数量级;值得注意的一点是按POSIX标准 在线程申请读锁并未释放前本线程申请写锁是成功的,但运行后的逻辑结果是无法预测

递归锁(recursivelock):

严格上讲递归锁只是互斥锁的一个特例,同样只能有一个线程访问该对象,但允许同一个线程在未释放其拥有的锁时反复对该锁进行加锁操作; windows下的临界区默认是支持递归锁的,而linux下的互斥量则需要设置参数PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP,默认则是不支持

### 自旋锁互斥锁读写锁的对比 #### 原理概述 自旋锁互斥锁在使用层面较为相似,但在实现上存在显著差异。当尝试获取失败时,互斥锁采用线程切换的方式处理,而自旋锁则采取忙等待策略[^1]。 对于读写锁而言,其设计旨在优化读多写少的应用场景。具体来说,写属于独占,在任意时刻仅允许单一线程持有;相比之下,读则是共享,允许多个线程并发持有。这种特性使得读写锁特别适合于那些频繁进行只读操作的情况[^3]。 #### 区别分析 - **互斥锁**:一旦某个线程未能成功获得互斥锁,则该线程会被挂起并进入睡眠状态直到可用为止。这种方式适用于长时间占用资源的情形,因为它能够有效节省CPU周期给其他任务执行[^4]。 - **自旋锁**:如果当前线程无法立即取得所请求的自旋锁,那么它将在一定时间内持续循环检查直至定位置释放出来。这种方法通常更适合预期持有时间极短的情况下应用,因为在这些情况下避免上下文切换所带来的开销可能更加有利可图。 - **读写锁**:此类型的区分了读者(即只做读取动作)和作家(负责修改数据)。由于大多数时候只是单纯地访问而非更改资料库中的条目,因此可以有多个读者同时工作而不互相干扰。然而每当有任何一位作者准备更新记录的时候就必须确保没有任何其他人正在查看相同的信息片段——无论是另一个作者还是读者都不可例外。 ```python import threading # 创建一个简单的例子展示三种的不同行为模式 mutex = threading.Lock() # 互斥锁实例化 spinlock = threading.RLock() # 这里用RLock模拟自旋锁的行为, 实际中应选用更合适的类如threading.SpinLock (Python标准库未提供) rw_lock_readers = [] # 记录已获取读权限的线程列表 rw_lock_writer = None # 当前是否有线程正在进行写入 def mutex_example(): with mutex: print("Mutex acquired") def spinlock_example(): while not spinlock.acquire(False): # 尝试不阻塞地获取 pass # 如果没拿到就继续尝试(实际应该加入适当延时逻辑) try: print("Spin lock acquired") finally: spinlock.release() def rw_lock_reader(): global rw_lock_writer if rw_lock_writer is None or rw_lock_writer.is_alive(): rw_lock_readers.append(threading.current_thread()) try: print(f"Reader {id(threading.current_thread())} reading...") finally: rw_lock_readers.remove(threading.current_thread()) def rw_lock_writer(): global rw_lock_writer if all(not t.is_alive() for t in rw_lock_readers) and \ (rw_lock_writer is None or not rw_lock_writer.is_alive()): rw_lock_writer = threading.current_thread() try: print(f"Writer {id(threading.current_thread())} writing...") finally: rw_lock_writer = None ```
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