Linux——临界段，信号量，互斥锁，自旋锁，原子操作

一. linux为什么需要临界段，信号量，互斥锁，自旋锁，原子操作？

    1.1. linux内核后期版本是支持多核CPU以及抢占式调度。这里就存在一个并发，竞争状态（简称竟态）。

    1.2. 竞态条件 发生在两个或更多线程操纵一个共享数据项时，在多处理器（MP）计算机中也存在并发，其中每个处理器中共享相同数据的线程同时执行

    1.3. 临界段，信号量，互斥锁，自旋锁，原子操作可以从不同情形解决上述问题

二. 临界区（Critical Section）

    2.1.  保证在某一时刻只有一个线程能访问数据的简便办法。在任意时刻只允许一个线程对共享资源进行访问。如果有多个线程试图同时访问临界区，那么在有一个线 程进入后其他所有试图访问此临界区的线程将被挂起，并一直持续到进入临界区的线程离开。临界区在被释放后，其他线程可以继续抢占，并以此达到用原子方式操 作共享资源的目的。 

    2.2. 临界区包含两个操作原语： 

        EnterCriticalSection（） 进入临界区 

        LeaveCriticalSection（） 离开临界区 

        EnterCriticalSection（）语句执行后代码将进入临界区以后无论发生什么，必须确保与之匹配的 

        LeaveCriticalSection（）都能够被执行到。否则临界区保护的共享资源将永远不会被释放。虽然临界区同步速度很快，但却只能用来同步本 进程内的线程，而不可用来同步多个进程中的线程。 

    2.3. MFC提供了很多功能完备的类，我用MFC实现了临界区。MFC为临界区提供有一个CCriticalSection类，使用该类进行线程同步处理是 非常简单的。只需在线程函数中用CCriticalSection类成员函数Lock（）和UnLock（）标定出被保护代码片段即可。Lock（）后代 码用到的资源自动被视为临界区内的资源被保护。UnLock后别的线程才能访问这些资源。 

三. 互斥量（Mutex）

    3.1. 互斥量跟临界区很相似，只有拥有互斥对象的线程才具有访问资源的权限，由于互斥对象只有一个，因此就决定了任何情况下此共享资源都不会同时被多个线程 所访问。当前占据资源的线程在任务处理完后应将拥有的互斥对象交出，以便其他线程在获得后得以访问资源。互斥量比临界区复杂。因为使用互斥不仅仅能够在同 一应用程序不同线程中实现资源的安全共享，而且可以在不同应用程序的线程之间实现对资源的安全共享。

    3.2. 互斥量包含的几个操作原语： 

        CreateMutex（） 创建一个互斥量 

        OpenMutex（） 打开一个互斥量 

        ReleaseMutex（） 释放互斥量 

        WaitForMultipleObjects（） 等待互斥量对象

四. 信号量（Semaphores）

    4.1. 信号量对象对线程的同步方式与前面几种方法不同，信号允许多个线程同时使用共享资源，这与操作系统中的PV操作相同。它指出了同时访问共享资源的线程 最大数目。它允许多个线程在同一时刻访问同一资源，但是需要限制在同一时刻访问此资源的最大线程数目。在用CreateSemaphore（）创建信号量 时即要同时指出允许的最大资源计数和当前可用资源计数。一般是将当前可用资源计数设置为最大资源计数，每增加一个线程对共享资源的访问，当前可用资源计数 就会减1，只要当前可用资源计数是大于0的，就可以发出信号量信号。但是当前可用计数减小到0时则说明当前占用资源的线程数已经达到了所允许的最大数目， 不能在允许其他线程的进入，此时的信号量信号将无法发出。线程在处理完共享资源后，应在离开的同时通过ReleaseSemaphore（）函数将当前可 用资源计数加1。在任何时候当前可用资源计数决不可能大于最大资源计数。 PV操作及信号量的概念都是由荷兰科学家E.W.Dijkstra提出的。信号量S是一个整数，S大于等于零时代表可供并发进程使用的资源实体数，但S小于零时则表示正在等待使用共享资源的进程数

    P操作 申请资源： 

   　　（1）S减1； 

   　　（2）若S减1后仍大于等于零，则进程继续执行； 

   　　（3）若S减1后小于零，则该进程被阻塞后进入与该信号相对应的队列中，然后转入进程调度。 

   V操作 释放资源： 

   　　（1）S加1； 

   　　（2）若相加结果大于零，则进程继续执行； 

   　　（3）若相加结果小于等于零，则从该信号的等待队列中唤醒一个等待进程，然后再返回原进程继续执行或转入进程调度。 

    4.2. 信号量包含的几个操作原语： 

   　　CreateSemaphore（） 创建一个信号量 

   　　OpenSemaphore（） 打开一个信号量 

   　　ReleaseSemaphore（） 释放信号量 

   　　WaitForSingleObject（） 等待信号量 

五. 自旋锁（spin_lock）

    5.1. 是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是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，"自旋"一词就是因此而得名。

    5.2. 自旋锁和信号量的使用要点

        (1)自旋锁不能递归

        (2)自旋锁可以用在中断上下文（信号量不可以，因为可能睡眠），但是在中断上下文中获取自旋锁之前要先禁用本地中断,中断是不参与系统调度的

        (3)自旋锁的核心要求是：拥有自旋锁的代码必须不能睡眠，要一直持有CPU直到释放自旋锁

        (4)信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此只能在进程上下文使用，而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。

六. 原子操作

    6.1. Linux原子概念

        6.1.1. 所谓原子操作，就是“不可中断的一个或一系列操作”。 

        6.1.2. 原子操作，就是不能被更高等级中断抢夺优先的操作。你既然提这个问题，我就说深一点。由于操作系统大部分时间处于开中断状态，所以，一个程序在执行的时候可能被优先级更高的线程中断。而有些操作是不能被中断的，不然会出现无法还原的后果，这时候，这些操作就需要原子操作。就是不能被中断的操作。 

        6.1.3. 硬件级的原子操作：在单处理器系统（UniProcessor）中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是“原子操作”，因为中断只发生在指令边缘。在多处理器结构中（Symmetric Multi-Processor）就不同了，由于系统中有多个处理器独立运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。在X86平台生，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU上有一根引线#HLOCK pin连到北桥，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。对于其他平台的CPU，实现各不相同，有的是通过关中断来实现原子操作（sparc），有的通过CMPXCHG系列的指令来实现原子操作（IA64）。本文主要探讨X86平台下原子操作的实现。

    6.2. Linux内核两组原子操作接口：

        6.2.1. 原子整数操作

            原子操作通常针对int或bit类型的数据，但是Linux并不能直接对int进行原子操作，而只能通过atomic_t的数据结构来进行。定义于#include<asm/atomic.h>

        6.2.2. 内核中提供的一些主要位原子操作函数

            同时内核还提供了一组与上述操作对应的非原子位操作函数，名字前多两下划线。由于不保证原子性，因此速度可能执行更快。

七. 总结： 

    7.1． 互斥量与临界区的作用非常相似，但互斥量是可以命名的，也就是说它可以跨越进程使用。所以创建互斥量需要的资源更多，所以如果只为了在进程内部是用的话使 用临界区会带来速度上的优势并能够减少资源占用量。因为互斥量是跨进程的互斥量一旦被创建，就可以通过名字打开它。  

    7.2． 通过互斥量可以指定资源被独占的方式使用，但如果有下面一种情况通过互斥量就无法处理，比如现在一位用户购买了一份三个并发访问许可的数据库系统，可以根 据用户购买的访问许可数量来决定有多少个线程/进程能同时进行数据库操作，这时候如果利用互斥量就没有办法完成这个要求，信号灯对象可以说是一种资源计数 器。  

    7.3.    互斥锁与信号量的区别：  

         7.3.1、信号量一般以同步的方式对共享资源进行控制，而互斥锁通过互斥的方式对共享资源对其进行控制；

        7.3.2、信号量可以对进程的共享资源进行控制，而互斥锁不行；

        7.3.3、信号量的值为非负整数，而互斥锁的值只能为0或1；

        7.3.4、互斥量的加锁和解锁必须由同一线程分别对应使用，信号量可以由一个线程释放，另一个线程得到；mutex和二值信号量的区别在于mutex必须是同一个进程来释放

    7.4. 自旋锁与互斥锁的区别：

        7.4.1、因为自旋锁不会引起调用者睡眠，所以效率比较高

        7.4.2、自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。

        7.4.3、自旋锁容易造成死锁，所以需要安全使用它；

 

索引文献：https://www.cnblogs.com/linhaostudy/p/6670693.html

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