自旋锁--Test and Set Clock机制分析

自旋锁–Test and Set Clock机制分析

@(OS)

自旋锁：为防止多处理器并发引入的一种锁。

在内核中，广泛应用于中断处理部分。而在单处理器中，防止中断处理处理中的并发简单采用关闭中断即可，在PSW中打开/关闭中断标志位，用不到自旋锁。反之，用了自旋锁机制，就不用再管开中断或者关中断。

自旋锁的设计初衷是忙则等待。

理解

目的：为了实现保护共享资源，任何时刻只能有一个保持者。即只有一个进程可以获得锁。

自旋锁机制下，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，那么调用者就一直循环在那里看自旋锁的保持者是否释放了锁，即忙则等待。很多出题点喜欢在这个概念上混淆，故意出成让权等待。让全等待是出让CPU，这里没有体现这个思路。因为跟CPU无关。自旋是个很形象的动作，表示一直在原地运动，并未去睡眠。这是区别于互斥锁的。

互斥锁机制下，如果资源被占用，资源申请者就会进入睡眠状态。

原理的理解

• 执行单元想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先获得锁。
• 访问完共享资源后，必须释放锁。

当准备去获取自旋锁时，发现锁没人在用，顺利获得锁，可以访问共享资源。否则，就一直在等。这就像在火车上用卫生间，如果空闲，就可以马上进去，且把门锁上，保护隐私。用完了把门打开走掉。如果里面有人，只好在外面等，如果着急，你肯定会一直等着，在那着急自旋。这就是自旋锁机制。如果你不等了，回座位休息去，那就是互斥锁机制。

自旋锁是比较低级的保护数据结构，贴近硬件层面实现。

可能存在的问题：

• 死锁
• 过多占用CPU资源

推导出自旋锁适合使用者保持锁时间较短的情况。

而信号量机制适合保持锁较长时间，因此没有资源可用时去睡眠。

实现

多处理机互斥算法：

do
{
    ...
    while(Test_And_Set_Lock(&lock)); //特别注意分号，以及传递的参数是引用参数
    //临界区
    lock = False;
    //剩余区
}while(True)

Test_And_Set_Lock函数是用硬件保持的原子运行，不被打断。

特别注意while(Test_And_Set_Lock(&lock));这句后面是个分号就是说会循环等待解锁。

理解到这个地步，就可以来思考一道真题了。

（2016.27）使用TSL指令实现进程互斥的伪代码如下：

do
{
    ...
    while(Test_And_Set_Lock(&lock)); //特别注意分号，以及传递的参数是引用参数
    //临界区
    lock = False;
    //剩余区
}while(True)

下列与该实现机制相关的叙述中，正确的是：
A. 退出临界区的进程负责唤醒阻塞态进程
B. 等待进入临界区的进程不会主动放弃CPU
C. 上述伪代码满足“让权等待”的同步准则
D. while(Test_And_Set_Lock(&lock))语句应在关中断状态下执行

分析：由上面的一大段分析可知，A项表述的是信号量机制这些进程较长时才有的状态，即进程无法访问临界资源时要去睡眠，在TSL里，都是短进程，都是精力充沛的，忙则等待的类型。因此，没人睡，自然也不存在唤醒。
C项让权等待与B项表达的东西是相反的。让权是什么意思？有必要特别说明。让权等待是一种策略，但是对象可以是CPU也可以是临界资源。这要看具体语境。这里，针对临界资源的访问，让权等待是指：当进程不能进入临界区时，应立即释放处理器，防止进程忙等待。我们需要形成一种概念是，进程是程序的动态执行过程，忙则等待资源时，必然是在运行的进程，是有CPU在背后力挺的，睡眠就是说没有资源赶紧滚，别占着CPU！

想一想进程调度的三大基本形态：就绪态，运行态，阻塞态三态之间的互相转化。

因此，C项错，B项对，忙则等待就是要占着CPU，所幸的是进程不长，否则递归调用一定产生死锁。

D项是很细致的考察，前面专门提过，TSL是多处理器下的进程并发问题，只有在中断机制下采用PSW，关中断/开中断方式来进行进程的并发控制。