Linux多线程同步方式

      当多个线程共享相同的内存时，需要确保每个线程看到一致的数据视图，当多个线程同时去修改这片内存时，就可能出现偏差，得到与预期不符合的值。为啥需要同步，一件事情逻辑上一定是有序的，即使在并发环境下；而操作系统对于多线程不会自动帮我们串行化，所以需要我们通过操作系统提供的同步方式api，结合自己的业务逻辑，利用多线程提高性能的同时，保证业务逻辑的正确性。一般而言，linux下同步方式主要有4种，原子锁，互斥量，读写锁和条件变量。下面一一介绍几种同步方式。

1. spinlock

1)  概念

spinlock是一种互斥结构，通过CPU提供的特殊的原子指令集合实现互斥地访问一个资源，需要硬件支持。一个线程访问数据未结束的时候，其他线程不得对同一个数据进行访问。

2)  实现

spinlock一般基于原子的read-modify-write操作实现。read-modify-write操作允许一个CPU读取一个值，修改该值，并将修改完成的值回写内存的三个操作作为一个原子总线操作，因此需要CPU特殊支持。具体而言，通过test-and-set指令实现，从内存中读取一个值，然后和0比较，并且将内存中的值设置为1。

3) 相关函数

   a) 原子操作

1   test_and_set(volatile int* addr, value) 2  { 3         return os_atomic_test_and_set_int(addr,value); 4    }

   这里volatile修饰词告诉编译器从内存中获取，保证正确性，避免从寄存器中读取到不准确的值。

   b) 设置锁变量

 1 set_spinlock(lock_word)  2 {  3          int i = 0;  4          int value;  5          while (true)  6  {  7               value = test_and_set(&lock_word, 1);  8               if (value == 0) //尚未被占用，可以获取
 9                      break; 10               else   //已经被其他线程占用,继续轮转
11                     do nothing 12  } 13 }

c)       重置锁变量

1 reset_spinlock(lock_word) 2 { 3    test_and_set (lock_word, 0); 4 } 

 

2.  mutex

   1) 概念

   与 spinlock作用相同，保证互斥地访问一个资源。

   2) 相关函数

   int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)

   int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)

   int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)

   pthread_mutex_trylock()语义与pthread_mutex_lock()类似，不同的是在锁已经被占据时返回EBUSY而不是挂起等待。

   3)  spinlock与mutex的区别

      a) 作用范围，mutex是内核对象，可以在多线程，多进程同步中使用；spinlock作用范围仅限于本进程(锁变量是进程内的)，仅适用于多线程同步。

      b) spinlock依赖于硬件的原子操作指令

      c) 线程获取spinlock失败时，会采取循环等待的方式，此时线程处于运行状态，CPU空转；而获取mutex失败时，线程会挂起，线程处于wait状态，不会被内核调度。

     d) 由于3的特点，进入等待状态或从等待状态被唤醒，都涉及到CPU的上下文切换，而CPU切换是比较耗时的，一般需要25us。相对而言spinlock则没有这样的代价，效率更高。

     e) 也由于3的特点，spinlock会空转，导致浪费大量的CPU时间片，若用户持有锁时间长，导致空转时间长，也得不偿失。因此spinlock比较适合于“快拿快放”的使用场景。

 

3.读写锁

1) 概念

spinlock和互斥量都是保证同一时刻只有一个线程操作共享内存。互斥锁要么是加锁状态，要么是不加锁状态，一次只有一个线程可以对其加锁。读写所可以有3种状态，读模式下加锁状态，写模式下加锁状态，不加锁状态。相对于前两者，读写锁有更高的并发度，允许多个线程同时读共享内存。

2) 相关函数

pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t*);  读锁定

pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t*); 非阻塞读锁定

pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t*); 写锁定

pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t*); 非阻塞写锁定

pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t*);  释放锁

 

4. 条件变量

1) 概念

条件变量是另外一种同步机制，通过与互斥锁配合使用，利用锁保护条件变量，通过条件变量实现唤醒和等待的机制。通过这种方式，允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生

2) 相关函数

int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond);  //唤醒等待条件某个线程

int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //唤醒等待条件所有线程

int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); //等待条件发生。 

3) 说明

调用pthread_cond_wait之前，需要线程获取互斥量，调用者把互斥量传递给函数，函数把调用线程发到等待队列上，然后对互斥量解锁，这个操作是原子操作。当pthread_cond_wait返回时，互斥量会再次被锁住，这个实现都在pthread_cond_wait函数中实现，不需要用户逻辑介入。