自旋锁（Spinlock）和互斥锁（Mutex）的区别

自旋锁（Spinlock）和互斥锁（Mutex）的区别#

自旋锁（Spinlock）和互斥锁（Mutex）都是用于多线程或多进程环境中同步共享资源的机制，但它们的工作方式和使用场景存在显著的不同。

1. 自旋锁（Spinlock）#

• 原理：当一个线程试图获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程占有，它会一直循环检查（自旋）锁的状态，直到锁被释放。线程在自旋过程中不会被挂起，而是持续占用 CPU 资源进行忙等待。

• 适用场景：

  • 自旋锁适合用于短临界区，即锁的持有时间非常短的情况下，避免线程在等待期间发生上下文切换的开销。
  • 通常用于内核中断上下文或实时要求非常高的场景，因为自旋锁不会引起调度器的干预。

• 优点：

  • 自旋锁的实现非常简单，开销低，在锁持有时间很短的情况下，自旋锁避免了线程被挂起和唤醒的调度开销。

• 缺点：

  • 自旋锁在持有锁的时间较长时效率低，因为它会一直消耗 CPU 资源进行忙等待。
  • 不能在发生上下文切换的场景中使用，比如不能让持有自旋锁的线程进行睡眠。

2. 互斥锁（Mutex）#

• 原理：互斥锁使用阻塞机制。如果一个线程试图获取互斥锁时发现锁已经被其他线程持有，它会被挂起，并放入等待队列中，等待锁释放时被唤醒。此时，线程不占用 CPU 资源。

• 适用场景：

  • 互斥锁适用于锁持有时间较长的临界区，因为挂起和唤醒线程的开销相比自旋锁的忙等待开销更低。
  • 适合用于应用程序中的线程同步，尤其是那些涉及 I/O 操作或长时间计算的临界区。

• 优点：

  • 互斥锁在长时间持有锁的情况下效率高，因为线程在等待时被挂起，不占用 CPU。

• 缺点：

  • 互斥锁的上下文切换开销较高，获取和释放锁需要操作系统调度器的参与，适合锁持有时间较长的场景。

3. 区别总结#

特性	自旋锁（Spinlock）	互斥锁（Mutex）
等待方式	忙等待（自旋）	阻塞（线程挂起，等待唤醒）
CPU 使用效率	在锁持有时间短时效率高，长时间等待会浪费 CPU	等待时不占用 CPU，适合长时间持有锁的情况
适用场景	短临界区，内核中断上下文，实时性要求高的场景	长临界区，用户态多线程或多进程环境
上下文切换	无上下文切换，不支持线程睡眠	可能导致上下文切换，支持睡眠
系统开销	无调度器开销，适合短时间临界区	可能涉及调度器的参与，开销较高

在中断中使用自旋锁如何避免死锁#

在中断处理程序中使用自旋锁时，可能会遇到死锁问题。如果处理不当，持有自旋锁的线程被中断服务例程（ISR）再次尝试获取相同的自旋锁，导致死锁情况。以下是避免在中断中使用自旋锁导致死锁的策略：

1. 中断上下文下的自旋锁死锁问题#

假设线程 A 正在持有自旋锁，并且此时线程 A 的执行被硬件中断打断。此时中断处理程序（ISR）也试图获取相同的自旋锁，由于自旋锁已经被线程 A 持有，而线程 A 此时处于等待中断处理完成的状态，因此中断处理程序无法获取锁，只能自旋等待。而线程 A 由于处于中断处理的等待状态，无法继续执行，这样就产生了死锁。

2. 解决方案：禁用中断#

为了避免上述死锁问题，禁用中断是一个常见的解决方案。这样，当某个线程获取了自旋锁后，不会在持有自旋锁的过程中被中断打断，中断处理程序就不会尝试获取相同的自旋锁，从而避免死锁。

在自旋锁的实现中，有一个特殊版本，称为中断安全的自旋锁（Spinlock with Interrupt Disable）。它在获取自旋锁时会禁用中断，确保在持有锁期间不会发生中断。

2.1 禁用中断获取自旋锁#

以下是如何在中断安全的环境中使用自旋锁的伪代码：

void acquire_spinlock_with_interrupts_disabled(spinlock_t* lock) {
    disable_interrupts();  // 禁用中断
    while (test_and_set(lock)) {
        // 自旋等待
    }
}

void release_spinlock_with_interrupts_enabled(spinlock_t* lock) {
    *lock = 0;             // 释放锁
    enable_interrupts();    // 恢复中断
}

• 禁用中断：在获取自旋锁之前禁用中断，确保中断处理程序不会在自旋锁持有期间试图获取相同的锁。
• 恢复中断：在释放自旋锁之后，重新启用中断。

通过这种方式，线程在持有锁的期间不会被中断打断，也就避免了死锁的发生。

2.2 使用递归中断屏蔽计数#

有时我们在多层调用中禁用中断，可能需要防止错误地启用过早的中断恢复。我们可以使用一个递归计数器来跟踪中断的禁用层次，确保只有在最外层的调用释放锁后，才真正恢复中断。

int interrupt_disable_counter = 0;

void disable_interrupts() {
    if (interrupt_disable_counter == 0) {
        // 禁用中断
    }
    interrupt_disable_counter++;
}

void enable_interrupts() {
    interrupt_disable_counter--;
    if (interrupt_disable_counter == 0) {
        // 启用中断
    }
}

通过这种方式，可以避免多层嵌套的函数调用中错误恢复中断的情况。

3. 自旋锁使用注意事项#

• 避免长时间持有自旋锁：自旋锁不应该持有太长时间，因为它会导致 CPU 资源的浪费。长时间的锁定应该使用互斥锁而不是自旋锁。

• 在适当的上下文使用：自旋锁不能与那些可能导致睡眠的操作混合使用。例如，在内核态下，持有自旋锁时不要调用可能会阻塞或休眠的函数。

• 适合 SMP 环境：自旋锁在单处理器系统（SMP）中没有太多意义，因为在单处理器上自旋锁的忙等待会浪费 CPU 时间，而无法给其他线程机会。因此，自旋锁通常用于多处理器系统中。

4. 总结#

• 自旋锁适合用于短临界区，特别是涉及硬件中断或多处理器系统的场景，但自旋锁在持有锁时会导致忙等待。
• 在中断处理程序中使用自旋锁时，需要注意死锁问题。通过在获取自旋锁时禁用中断，可以避免中断上下文重新获取同一自旋锁导致的死锁。
• 如果临界区较长或者存在可能的阻塞情况，互斥锁可能是更好的选择，因为它可以阻塞线程而不是让线程自旋等待。

参考代码示例#

spinlock_t lock;

void interrupt_handler() {
    acquire_spinlock_with_interrupts_disabled(&lock);
    // 临界区：处理中断相关操作
    release_spinlock_with_interrupts_enabled(&lock);
}

void task() {
    acquire_spinlock_with_interrupts_disabled(&lock);
    // 临界区：执行任务
    release_spinlock_with_interrupts_enabled(&lock);
}

在这个例子中，interrupt_handler 和 task 都使用了中断安全的自旋锁来保护临界区，确保不会在中断过程中发生死锁。