互斥锁，自旋锁，原子操作的原理，区别和实现

2024-07-12 10:06| 来源: 网络整理| 查看: 265

一，互斥锁

原理：

互斥锁属于sleep-waiting类型的锁，例如在一个双核的机器上有两个线程（线程A和线程B）,它们分别运行在Core0和Core1上。假设线程A想要通过pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁，而此时这个锁正被线程B所持有，那么线程A就会被阻塞，Core0会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中，此时Core0就可以运行其它的任务而不必进行忙等待。

适用场景：

因互斥锁会引起线程的切换，效率较低。使用互斥锁会引起线程阻塞等待，不会一直占用这cpu，因此当锁的内容较多，切换不频繁时，建议使用互斥锁

互斥锁的特点：

（1）唯一性：如果一个线程锁定了一个互斥量，在它解除锁定之前，没有其他线程可以锁定这个互斥量；（2）原子性：把一个互斥量锁定为一个原子操作，这意味着操作系统（或pthread函数库）保证了如果一个线程锁定了一个互斥量，没有其他线程在同一时间可以成功锁定这个互斥量；（3）非繁忙等待：如果一个线程已经锁定了一个互斥量，第二个线程又试图去锁定这个互斥量，则第二个线程将被挂起（不占用任何cpu资源），直到第一个线程解除对这个互斥量的锁定为止，第二个线程则被唤醒并继续执行，同时锁定这个互斥量。

使用方法：

/*初始化一个互斥锁*/ int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex,const pthread_mutexattr_t *restrict attr); 参数： mutex:互斥锁地址。类型是pthread_mutex_t. attr:设置互斥量的属性，通常采用默认属性，即将attr设为NULL。可以使用宏PTHREAD_MUTEX_INITALIZER静态初始化互斥锁，如： pthread_mutex_t mutex=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 这种方法等价于NULL指定的attr参数调用pthread_mutex_init()来完成动态初始化，不同之处在于PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER宏不进行错误检查。返回值：成功：0 失败：非0 /*销毁指定的一个互斥锁，释放资源*/ int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex); 参数： mutex：互斥锁地址返回值：成功：0 失败：非0 /*对互斥锁上锁，若互斥锁已经上锁，则调用这阻塞，直到互斥锁解锁后再上锁*/ int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex) 参数： mutex:互斥锁地址返回值：成功：0 失败：非0 /*对指定的互斥锁解锁*/ int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); 参数： mutex:互斥锁地址返回值：成功：0 失败：非0

二，自旋锁

原理：

Spin lock（自旋锁）属于busy-waiting类型的锁，如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁，那么线程A就会一直在Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求，直到得到这个锁为止。自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁。

使用场景：

“自旋锁”的作用是为了解决某项资源的互斥使用。因为自旋锁不会引起调用者睡眠，所以自旋锁的效率远高于互斥锁。因此如果锁的内容较少，阻塞的时间较短，使用自旋锁比较好。

自旋锁一直占用着CPU，他在未获得锁的情况下，一直运行（自旋），所以占用着CPU，如果不能在很短的时间内获得锁，这无疑会使CPU效率降低。因此我们要慎重使用自旋锁，自旋锁只有在内核可抢占式或SMP的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占式的内核下，自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况下。

使用方法：

/*初始化一个自旋锁*/ int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared); 参数： pthread_spinlock_t ：初始化自旋锁 pshared取值： PTHREAD_PROCESS_SHARED：该自旋锁可以在多个进程中的线程之间共享。（可以被其他进程中的线程看到） PTHREAD_PROCESS_PRIVATE:仅初始化本自旋锁的线程所在的进程内的线程才能够使用该自旋锁。返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号 /*销毁一个锁*/ int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock); 返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号 /*用来获取（锁定）指定的自旋锁. 如果该自旋锁当前没有被其它线程所持有，则调用该函数的线程获得该自旋锁.否则该函数在获得自旋锁之前不会返回。*/ int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock); 返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号 /*解锁*/ int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock); 返回值：若成功，返回0；否则，返回错误编号

三、原子操作

所谓原子操作，就是该操作绝不会在执行完毕前被任何其他任务或事件打断，也就说，它的最小的执行单位，不可能有比它更小的执行单位。因此这里的原子实际是使用了物理学里的物质微粒的概念。

原子操作需要硬件的支持，因此是架构相关的，其API和原子类型的定义都定义在内核源码树的include/asm/atomic.h文件中，它们都使用汇编语言实现，因为C语言并不能实现这样的操作。

原子操作主要用于实现资源计数，很多引用计数(refcnt)就是通过原子操作实现的。

四、总结分析

Mutex（互斥锁）：

sleep-waiting类型的锁

与自旋锁相比它需要消耗大量的系统资源来建立锁；随后当线程被阻塞时，线程的调度状态被修改，并且线程被加入等待线程队列；最后当锁可用时，在获取锁之前，线程会被从等待队列取出并更改其调度状态；但是在线程被阻塞期间，它不消耗CPU资源。

互斥锁适用于那些可能会阻塞很长时间的场景。

1、临界区有IO操作

2 、临界区代码复杂或者循环量大

3 、临界区竞争非常激烈

4、单核处理器

Spin lock（自旋锁）：

busy-waiting类型的锁

对于自旋锁来说，它只需要消耗很少的资源来建立锁；随后当线程被阻塞时，它就会一直重复检查看锁是否可用了，也就是说当自旋锁处于等待状态时它会一直消耗CPU时间。

自旋锁适用于那些仅需要阻塞很短时间的场景

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