互斥锁,自旋锁和读写锁

栏目:线程与并发 作者:admin 日期:2017-04-18 评论:0 点击: 2,129 次

锁是为了解决某种资源(又称为临界资源)互斥使用提出的一种机制。常用的有互斥锁、自旋锁和读写锁。

自旋锁和互斥锁功在使用时差不多,每一时刻只能有一个执行单元占有锁,而占有锁的单元才能获得临界资源的使用权,从而达到了互斥的目的。

自旋锁与互斥锁的区别在于:自旋锁在执行单元在获取锁之前,如果发现有其他执行单元正在占用锁,则会不停的循环判断锁状态,直到锁被释放,期间并不会阻塞自己。由于在等待时不断的"自旋",这也是它为什么叫做自旋锁。所以自旋锁使用时,是非常消耗CPU资源的。

而互斥锁在执行单元等待锁释放时,会把自己阻塞并放入到队列中。当锁被释放时,会唤醒队列上执行单元把其放入就绪队列中,并由调度算法进行调度并执行。所以互斥锁使用时会有线程的上下文切换,这可能是非常耗时的一个操作,但是等待锁期间不会浪费CPU资源。

两种锁适用于不同场景:
如果是多核处理器,如果预计线程等待锁的时间很短,短到比线程两次上下文切换时间要少的情况下,使用自旋锁是划算的。
如果是多核处理器,如果预计线程等待锁的时间较长,至少比两次线程上下文切换的时间要长,建议使用互斥锁。
如果是单核处理器,一般建议不要使用自旋锁。因为在同一时间只有一个线程是处在运行状态,那如果运行线程发现无法获取锁,只能等待解锁,但因为自身不挂起,所以那个获取到锁的线程没有办法进入运行状态,只能等到运行线程把操作系统分给它的时间片用完,才能有机会被调度。这种情况下使用自旋锁的代价很高。

大部分操作系统并不严格区分互斥锁和自旋锁。 实际上, 绝大部分现代的操作系统采用的是混合型互斥锁(hybrid mutexes)和混合型自旋锁(hybrid spinlocks)。

混合型互斥锁, 在多核系统上起初表现的像自旋锁一样, 如果一个线程不能获取互斥锁, 它不会马上被切换为休眠状态,因为互斥量可能很快就被解锁, 所以这种机制会表现的像自旋锁一样。 只有在一段时间以后(或者尝试一定次数,或者其他指标)还不能获取锁, 它就会被切换为休眠状态。 。

混合型自旋锁,起初表现的和正常自旋锁一样,但是为了避免浪费大量的CPU时间, 会有一个折中的策略。 这种机制不会把线程切换到休眠态(既然想要使用自旋锁,那么你并不希望这种情况发生), 也许会决定放弃这个线程的执行(马上放弃或者等一段时间)并允许其他线程运行, 这样提高了自旋锁被解锁的可能性(大多数情况,线程之间的切换操作比使线程休眠而后唤醒它要昂贵,尽管那不是很明显)。

读写锁实际是一种特殊的自旋锁,它把对共享资源的访问者划分成读者和写者,读者只对共享资源进行读访问,写者则需要对共享资源进行写操作。这种锁相对于自旋锁而言,能提高并发性,因为在多处理器系统中,它允许同时有多个读者来访问共享资源,最大可能的读者数为实际的逻辑CPU数。写者是排他性的,一个读写锁同时只能有一个写者或多个读者(与CPU数相关),但不能同时既有读者又有写者。在读写锁保持期间也是抢占失效的。
如果读写锁当前没有读者,也没有写者,那么写者可以立刻获得读写锁,否则它必须自旋在那里,直到没有任何写者或读者。如果读写锁没有写者,那么读者可以立即获得该读写锁,否则读者必须自旋在那里,直到写者释放该读写锁。

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