Linux 自旋锁,互斥量(互斥锁),读写锁
自旋锁(Spin Lock)
自旋锁类似于互斥量,不过自旋锁不是通过休眠阻塞进程,而是在取得锁之前一直处于忙等待的阻塞状态。这个忙等的阻塞状态,也叫做自旋。
自旋锁通常作为底层原语实现其他类型的锁。
适用场景:
1)锁被持有的时间短,而且线程不希望在重新调度上花费太多的成本;
2)在非抢占式内核中,会阻塞中断,这样中断处理程序不会让系统陷入死锁状态。因为中断处理程序无法休眠,只能使用这种锁;
缺点:
1)线程自旋等待锁变成可用时,CPU不能做其他事情,会浪费CPU资源;
伪代码
S = 1
线程P:
// 进入区
while (S <= 0) ; // 自旋
S--; // P操作
... // 临界区
// 退出区
S++; // V操作
自旋锁接口
自旋锁接口与互斥量类似,容易相互替换。
#include <pthread.h>
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
注意:
1)如果自旋锁当前在解锁状态,pthread_spin_lock不用自旋,就可以对它加锁;
2)如果自旋锁当前在加锁状态,再获得锁的结果是未定义的。如果调用pthread_spin_lock,会返回EDEADLK错误或其他错误,或者调用者可能会永久自旋。取决于具体实现。
3)试图对没有加锁的自旋锁解锁,结果也是未定义的。
示例
自旋锁使用
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#define THREAD_NUM 100
pthread_spinlock_t spinlock;
void *thread_main(void *arg)
{
int id = (int)arg;
pthread_spin_lock(&spinlock); // 获得锁
printf("thread main %d get the lock begin\n", id);
printf("thread main %d get the lock end\n", id);
pthread_spin_unlock(&spinlock); // 释放锁
return NULL;
}
int main()
{
pthread_spin_init(&spinlock, 0); /* PTHREAD_PROCESS_PRIVATE == 0*/
int x = PTHREAD_PROCESS_PRIVATE;
printf("x = %d\n", x);
int i;
pthread_t tids[THREAD_NUM];
for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_create(&tids[i], NULL, thread_main, i); // 创建线程
}
for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_join(tids[i], NULL); // 连接线程
}
return 0;
}
互斥量(互斥锁, Mutex)
互斥量(Mutex)通过休眠阻塞进程/线程,确保同一时间只有一个线程访问数据。休眠,也就意味着会放弃CPU资源。
加锁
对互斥量加锁后,任何其他试图再次对互斥量加锁的线程,都会被阻塞,直到当前线程释放该互斥锁。
解锁
如果阻塞在该互斥锁上的线程有多个,当锁可用时,所有线程都会变成可运行状态,第一个变为运行的线程,就可以对互斥量加锁,其他线程则再次等待锁而进入休眠。
适用场景
多线程或多进程运行环境,需要对临界区资源进行保护时。
缺点
1)使用不当,任意导致死锁;
2)无法表示临界区资源可用数量(由信号量解决);
接口
#include <pthread.h>
int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); // 函数方式初始化,attr是线程属性
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 直接赋值方式初始化
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 尝试加锁,不会阻塞
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解锁
使用示例
#define THREAD_NUM 100
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
void *thread_main(void *arg)
{
int id = (int)arg;
pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("thread main %d get the lock begin\n", id);
printf("thread main %d get the lock end\n", id);
pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
}
int main()
{
int i;
pthread_t tids[THREAD_NUM];
for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_create(&tids[i], NULL, thread_main, i);
}
for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_join(tids[i], NULL);
}
return 0;
}
读写锁(Read-Write Lock)
读写锁类似于互斥量,不过读写锁允许更高的并行性。读写锁,也叫共享互斥锁(shared-exclusive lock)。
当读写锁以读模式锁住时,可以说成是以共享模式锁住的。当以写模式锁住时,可以说成是以互斥模式锁住的。
读写锁与互斥锁的区别
读写锁与互斥锁的区别在于:
互斥锁 要么是加锁状态,要么是不加锁状态,而且一次只有一个线程能取得锁、对其加锁;
读写锁 可以有3种状态:读模式加锁,写模式加锁,不加锁。一次只有一个线程能占有写模式的读写锁,不过多个线程可以同时占有读模式的读写锁。
1)当读写锁是写加锁状态时,在被解锁前,所有试图对其加锁的线程都会被阻塞。
2)当读写锁是读加锁状态时,在被解锁前,所有以读模式加锁的线程都可以得到访问权,以写模式加锁的线程会被阻塞。
简而言之,读写锁是读状态与读状态之间共享,与写状态之间互斥,写状态是与任何状态互斥。
互斥锁是只有加锁和解锁状态,加锁状态之间互斥。
适用场景
读写锁非常适合对数据结构进行读操作的次数 远大于写的情况。
使用接口
初始化销毁:
#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr);
pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; // 直接赋值方式初始化读写锁
读、写模式获得锁,解锁:
#include <pthread.h>
int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 读模式取得锁
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 读模式取得锁的条件版本
int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 写模式取得锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 写模式取得锁的条件版本
int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 解锁
注意:
1)不论是处于写模式,还是读模式,都可以用pthread_rwlock_unlock解锁。
2)条件版本不会阻塞线程。
读写锁属性
attr = NULL,表示使用默认的读写锁属性:PTHREAD_PROCESS_PRIVATE,表示只在单个进程内的不同线程间共享。另外,还支持属性PTHREAD_PROCESS_SHARED,表示读写锁将在不同进程间共享。
要设置非默认属性,就要使用下面2个函数初始化、销毁读写锁属性。
#include <pthread.h>
int pthread_rwlockattr_init(pthread_rwlockattr_t *attr);
int pthread_rwlockattr_destory(pthread_rwlockattr_t *attr);
获取、设置非默认属性:
#include <pthread.h>
int pthread_rwlockattr_getshared(pthread_rwlockattr_t *attr, int *valptr);
int pthread_rwlockattr_setshared00(pthread_rwlockattr_t *attr, int value);
要设置的当前值value,其值只能是PTHREAD_PROCESS_PRIVATE或PTHREAD_PROCESS_SHARED。