本文介绍互斥锁和自旋锁的实现原理和工作过程

一、互斥锁

1.内存标记——线程id

互斥锁会记录下访问锁的线程的id，用于进行线程切换、组织阻塞队列等操作

2.阻塞队列

当多个线程试图获取同一把互斥锁，没有获取的锁的线程会被组织到阻塞队列中，当锁再次可用时，队列中的一个线程会获得锁，此时的线程切换就要依赖线程id

• 内核调度机制：互斥锁的实现通常涉及到线程的阻塞和唤醒，这需要操作系统提供相应的内核调度机制来管理线程的状态和调度。当一个线程尝试获取互斥锁时，如果锁已经被其他线程持有，该线程会被放入到锁的等待队列中，并在锁释放时被唤醒。

3.** 原子操作 **

• 基于操作系统的原语：在许多操作系统中，互斥锁的实现依赖于内核提供的原语或者系统调用。这些原语可以确保在操作临界资源时的原子性和正确性。典型的原语包括：
  • 信号量（semaphore）：信号量是一种用于控制并发访问的同步原语，可以用于实现互斥锁。
  • 互斥量（mutex）：互斥量是一种特殊的信号量，它只允许一个线程访问临界资源。

4.** 屏蔽中断 **

• 屏蔽中断的原理：
  • 当一个线程持有互斥锁并进入临界区时，为了防止其他线程在临界区内打断当前线程，系统可以临时禁用中断。
  • 禁用中断可以确保当前线程能够连续地执行临界区的操作，而不会被其他线程打断。
• 实现细节：
  • 操作系统内核通常会提供接口来允许在临界区内禁用中断，例如通过特定的系统调用或者编程接口。
  • 当一个线程持有互斥锁并进入临界区时，系统会调用相应的接口来禁用中断；当线程释放互斥锁时，系统会重新启用中断。

二、自旋锁

1. 自旋等待： 当一个线程在尝试获取自旋锁时，如果发现锁已经被其他线程持有，它会进入自旋等待状态，即在一个循环中不断检查锁的状态，直到获取到锁为止。自旋等待的优点在于它避免了线程阻塞和切换的开销，适用于对临界资源的短期占用情况。

2. 限制自旋次数： 为了避免自旋等待时间过长导致性能下降，通常会对自旋次数进行限制。如果自旋次数达到了限制，当前线程会放弃自旋等待，转而选择其他方式（如进入睡眠状态或者阻塞状态）等待锁的释放。

3. 原子操作： 自旋锁的实现通常依赖于原子操作，这些操作能够保证在执行期间不会被中断。典型的原子操作是CAS（compare-and-swap），它可以原子地检查某个内存位置的值，并在满足条件时将新值写入该位置。如果CAS操作失败，则表示其他线程已经修改了内存位置的值，当前线程需要重试。

4. 锁状态： 自旋锁内部会维护一个表示锁状态的标志位，通常为0表示锁空闲，1表示锁被占用。当一个线程尝试获取自旋锁时，它会先尝试使用**原子操作(CAS)**将锁状态从0修改为1，如果成功获取到锁，则表示当前线程可以进入临界区执行任务；如果失败，则表示锁已经被其他线程持有，当前线程需要循环等待。

5. 屏蔽中断

• 屏蔽中断的原理：
  • 自旋锁的实现通常会在获取锁时禁用中断，以确保临界区的原子性。
  • 禁用中断可以防止其他处理器核心或中断处理程序在临界区内打断当前线程。
• 实现细节：
  • 自旋锁的实现通常会在获取锁时使用原子操作来禁用中断，并在释放锁时重新启用中断。
  • 这样可以确保在临界区内自旋等待期间，当前线程不会被中断，从而保证了临界区的原子性。

三、总结

互斥锁（Mutex Lock）：

• 底层实现原理

  • 依赖于操作系统提供的原语或者系统调用，如信号量、互斥量等。
  • 可能使用硬件提供的原子操作，但不依赖CAS指令。

• 工作过程

  1. 当一个线程尝试获取锁时，它会使用原语或系统调用尝试获取锁。
  2. 如果锁是可用的，线程成功获取锁并进入临界区执行任务。
  3. 如果锁已被其他线程持有，当前线程会被阻塞，并被放入锁的等待队列中。
  4. 等待队列中的线程在锁释放时被唤醒，并有机会竞争锁。

• 特点

  • 使用操作系统提供的原语或者系统调用来实现。
  • 可能涉及线程的阻塞和唤醒，导致较高的开销。
  • 适用于长期占用临界资源的情况。

自旋锁（Spin Lock）：

• 底层实现原理

  • 依赖于硬件提供的原子操作，通常使用CAS指令。

• 工作过程

  1. 当一个线程尝试获取锁时，它会循环检查锁的状态。
  2. 如果锁是可用的，线程成功获取锁并进入临界区执行任务。
  3. 如果锁已被其他线程持有，当前线程会在一个循环中等待，直到获取到锁。

• 特点

  • 使用硬件提供的原子操作来实现，通常使用CAS指令。
  • 不会涉及线程的阻塞和唤醒，减少了线程切换的开销。
  • 适用于短期占用临界资源的情况。

总结比较：

• 共同点：
  • 都是用于实现多线程同步的机制，确保临界资源的互斥访问。
  • 都可以通过原子操作来保证线程安全。
• 不同点：
  • 实现原理不同：互斥锁依赖于操作系统提供的原语或系统调用，而自旋锁依赖于硬件提供的原子操作。
  • 阻塞方式不同：互斥锁会导致线程阻塞和唤醒，而自旋锁会在循环中等待。
  • 适用场景不同：互斥锁适用于长期占用临界资源的情况，而自旋锁适用于短期占用临界资源的情况。
  • 阻塞 vs 自旋等待：
  • 互斥锁在获取锁时会导致线程阻塞，线程会被放入阻塞队列中，并在锁释放时被唤醒。这会引起线程上下文切换的开销。
  • 自旋锁在获取锁时会循环检查锁的状态，直到获取到锁为止，期间线程会一直占用CPU资源，但不会进入阻塞状态，也不会加入到阻塞队列中。
  • 开销：
  • 由于互斥锁涉及到线程的阻塞和唤醒，它的开销相对较高。在高并发场景下，频繁的线程切换会导致性能下降。
  • 自旋锁在获取锁时不会引起线程的阻塞和切换，因此在低竞争和短期占用临界资源的情况下，自旋锁的开销可能更低。

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