信号量、互斥量以及底层实现

信号量、互斥量的区别

(1) 互斥量用于线程的互斥，信号量用于线程的同步。
(2) 互斥量值只能为0/1，信号量值可以为非负整数。
(3) 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。

互斥量 (Mutex)

本质上是一把锁，对象值只有0和1。（0表示锁定，1表示空闲）
Mutex 抽象四个操作

Create() //创建
Lock() //加锁
Unlock() //解锁
Destroy() //销毁

注意事项

• 如果有多锁, 如获得顺序是ABC连环扣, 释放顺序也应该是ABC。

“挂起等待”和“唤醒等待线程”的操作如何实现？
每个Mutex有一个等待队列，一个线程要在Mutex上挂起等待，首先在把自己加入等待队列中，然后置线程状态为睡眠，然后调用调度器函数切换到别的线程。一个线程要唤醒等待队列中的其它线程，只需从等待队列中取出一项，把它的状态从睡眠改为就绪，加入就绪队列，那么下次调度器函数执行时就有可能切换到被唤醒的线程。

锁的实现机制
(1) 控制中断
利用CPU的打开、关闭中断的特权指令进行操作。
（中断：突发事件，将寄存器的值入栈，保护现场，处理完出栈。）

缺点：

• 该方案要求允许所有的线程都可以执行打开与关闭中断的特权操作，恶意的程序会滥用该机制，关闭中断后不在打开中断，从而独占处理器；
• 该方案不支持多处理器；
• 关闭中断会导致中断丢失，可能会导致非常严重的系统问题，比如磁盘IO操作完成，但是中断被关闭，CPU错过了这个事件，等待该IO操作的进程就无法被唤醒；
• 该方案效率较低，现代CPU对关闭与打开中断的代码执行较慢。

(2) 测试并设置(test-and-set instruction) 指令 [自旋]

也被称为原子交换(atomic exchange)

typedef struct lock_t
{
    int flag;
}lock_t;

void init(lock_t *lock)
{
    //0表示锁是可用的，1表示锁被其他线程占用
    lock->flag = 0;
}

void lock(lock_t *lock)
{
    while(TestAndSet(&lock->flag, 1) == 1)
    {
        ; //自旋，等待
    }
}

void unlock(lock_t *lock)
{
    lock->flag = 0;
}

// TAS
int TestAndSet(int *old_ptr, int new)
{
    int old = *old_ptr;
    *old_ptr = new;
    return old;
}

(3) 比较并交换指令 CAS [自旋]

typedef struct lock_t
{
    int flag;
}lock_t;

void init(lock_t *lock)
{
    //0表示锁是可用的，1表示锁被其他线程占用
    lock->flag = 0;
}

void lock(lock_t *lock)
{
    while(CompareAndSwap(&lock->flag, 0, 1) == 1)
    {
        ; //自旋，等待
    }
}

void unlock(lock_t *lock)
{
    lock->flag = 0;
}
// 比较并自旋
int CompareAndSwap(int *ptr, int expected, int new)
{
    int actual = *ptr;
    if(actual == expected)
    {
        *ptr = new;
    }
    return actual;
}

比较并交换指令的基本思路是，检测ptr指向的值是否与expected相等，若相等，则更新ptr指向的值为新的值，否则，什么也不做，指令返回ptr原先指向的值。

未完待续 https://www.jianshu.com/p/213f56f23e05