线程的互斥与同步、锁与信号量
文章目录
- 前言
- 一、互斥
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- 1、加锁
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- 互斥锁
- 自旋锁
- 读写锁
- 乐观锁
- 2、信号量
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- 概念
- 实现互斥
- 二、同步
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- 1、信号量
- 总结
前言
我在阅读 “小林coding” 公众号的图解操作系统系列文章后感觉受益良多，因此进行一些小总结，方便日后查阅。本篇是针对线程间互斥与同步的实现方法进行的总结。
原文链接：
面试官：你说说互斥锁、自旋锁、读写锁、悲观锁、乐观锁的应用场景
多个线程为了同个资源打起架来了，该如何让他们安分？
线程之间存在两种常见的协作关系：互斥和同步，为了实现进程/线程间正确的协作，操作系统必须提供实现线程协作的措施和方法，主要的方法有两种：加锁和信号量。本博文将对互斥和同步下锁/信号量的使用进行基本介绍。
一、互斥
当几个线程都想访问公共资源时，为了避免数据混乱，要求在某个时间只有一个线程能对公共资源进行操作。这种情况称为线程间的互斥。
1、加锁
在线程间互斥的情况下，在使用公共资源时线程就可以加一个锁，防止其他线程再访问公共资源。这就是锁的作用。也就是用锁来实现线程间的互斥。
常用的锁有互斥锁、自旋锁、读写锁（这三种统称为悲观锁）、乐观锁，其中互斥和自旋锁是两个基础锁，其他的锁是在这两者的基础上改进的高级锁。
互斥锁
当一个线程加锁后（锁的值置为1），另一个线程访问时即无法获取锁，此时CPU会命令该线程睡眠（即阻塞），并去运行其他就绪的线程（切换线程）。当锁被释放后（锁的值置为0），CPU才会重新使该线程处于就绪状态，并在合适的时候运行它。
该锁的缺点在于两次切换线程耗时较多，如果当前加锁线程很快就释放锁的话，互斥锁不是好的选择。
自旋锁
当线程发现无法获取锁的时候，就进入忙等待状态，它会一直占用CPU不停查看锁是否被释放。因此在单核CPU上使用自旋锁的时候，必须使用抢占式的调度器，来强行切换运行的线程。
忙等待的实现可以通过“测试并设置”这一原子操作实现，其C代码如下：
测试并设置实际上是返回了目标变量的当前值，并且将目标变量的值设置为新的值。在自旋锁的实现中，目标变量就是锁。
在实际使用时可以通过如下方式实现自旋锁：
在一个进程要使用共享空间时，调用lock函数，此时若没有进程加锁，那么会跳出while循环，并且将锁置为1，当该进程出共享空间时，调用unlock函数释放锁；若当前有其他进程加了锁，那么该进程会一直在while循环中，直到 lock->flag变为0，它才能跳出while循环并能同时上锁。
读写锁
这种锁应用于区分读、写操作的场景中，分为读锁和写锁。当一个线程要进行写操作时，会加写锁，这是一种独占锁，即上锁后其他进程均不能对共享资源进行读写操作；当一个线程进行读操作时，会加读锁，这属于共享锁，即允许多个线程同时加读锁，可以提高读数据的效率。但是加读锁的前提是没有线程加了写锁，加写锁的前提是没有线程加了读锁。
写锁就可以用互斥锁或是自旋锁来实现，它们两个都是独占锁。
读写锁有读优先锁和写优先锁，它们都要一定弊端，最好的方案是公平读写锁，将想要读写的线程依次放入队列中，依次完成它们的加锁请求，读写的优先级相同。
上图是读优先锁，当已经有线程加了读锁时，那么想加写锁的线程就要等待，但是其他想加读锁的线程就可以同时加读锁。这容易导致写线程的“饥饿”；
上图是写优先锁，当已经有线程加了读锁时，只要有线程要加写锁，那么其他想加读锁的线程就被阻塞，不能同时加读锁，这可能会造成读线程的”饥饿“。
乐观锁
实际上互斥锁、自旋锁、读写锁都属于悲观锁，即认为多个线程在共享资源处产生冲突的概率很高，因此必须通过加锁来限制某个时间只有一个线程使用共享资源。
与之相对的是乐观锁，它认为产生冲突的概率很低，因此在线程访问共享资源时不加任何锁，它的处理方式是先让线程操作共享资源，操作完成后去判断操作过程中共享资源是否被其他线程修改，如果有修改就撤销刚才的操作，如果没有就完成了这个操作。
比如说共享文档使用的就是乐观锁，它可以使多人同时在线修改文档~
2、信号量
概念
除了锁以外，操作系统还提供“信号量”来完成进程/线程间的协调工作，信号量比锁的功能更加强大，它可以完成更复杂的线程间协调处理任务。除了实现互斥功能外，还可以用于实现线程间同步。
信号量指资源的数量，它具有两个原子操作，分别是P操作和V操作，算法会基于这两个操作及信号量的设计来完成一些复杂的进程/线程间协作。
- P操作：对信号量减一，若得到的结果小于0，那么阻塞当前进程；否则就运行当前进程。
- V操作：对信号量加一，若得到结果≤0，说明当前有被阻塞的进程，那么就唤醒一个阻塞进程。
P 操作是用在进入临界区之前，V 操作是用在离开临界区之后，这两个操作是必须成对出现的。
实现互斥
现在使用信号量及PV操作来完成简单的线程互斥管理：
在线程互斥管理中，资源的数量是1（因为同一时间只能有一个线程使用资源），就将互斥信号量s初始化为1。
具体实现如下图所示
- 线程A想要进入临界区，于是对互斥信号量执行P操作，由于互斥信号量的初始值为 1，故在线程A执行 P 操作后 s 值变为0，表示临界资源为空闲，可分配给该线程，使之进入临界区。
- 若此时线程B也想进入临界区，也应先执行 P 操作，结果使 s 变为-1，这就意味着临界资源已被占用，因此，线程B被阻塞。
- 直到线程A退出临界区并执行 V 操作，释放临界资源而恢复 s 值为 0 后，才唤醒线程B，使之进入临界区，待它完成临界资源的访问后，又执行 V 操作，使 s 恢复到初始值 1。
这样就通过信号量完成了两个线程间的互斥。
二、同步
进程/线程之间除了互斥这样的关系外，还有互相依赖作业的情况，此时称为两线程同步。
具体来说同步是指并发进程/线程在一些关键点上可能需要互相等待与互通消息，这种相互制约的等待与互通信息称为进程/线程同步。
比如说，线程 1 是负责读入数据的，而线程 2 是负责处理数据的，这两个线程是相互合作、相互依赖的。线程 2 在没有收到线程 1 的唤醒通知时，就会一直阻塞等待，当线程 1 读完数据需要把数据传给线程 2 时，线程 1 会唤醒线程 2，并把数据交给线程 2 处理。
同步就好比“操作A必须在操作B开始之前完成”这样的依赖关系。
1、信号量
线程之间的同步可以使用信号量来实现，在同步问题中，通常设置两种同步信号量来对应两个线程的运行条件，并将信号量的初始值设为0或者根据实际情况设置为其他值。
对于两个线程A、B，相比于互斥，同步是需要线程A在完成操作后将阻塞的线程B唤醒，而且线程B被阻塞的原因正是线程A刚刚还没有完成操作。
因此每个线程在运行时会对两种信号量分别进行P和V操作，而不是像互斥中只对一种信号量做PV操作。 这样才能实现两个线程之间的依赖关系~
我们以生产者—消费者系统为例，它的问题描述是：
- 生产者在生成数据后，放在一个缓冲区中；
- 消费者从缓冲区取出数据处理；
- 任何时刻，只能有一个生产者或消费者可以访问缓冲区；
这是一个同时存在互斥和同步的协调问题：
任何时刻只能有一个线程操作缓冲区，说明操作缓冲区是临界代码，需要互斥；
缓冲区空时，消费者必须等待生产者生成数据；缓冲区满时，生产者必须等待消费者取出数据。说明生产者和消费者需要同步。
因此设置三个信号量，其中一个互斥信号量，记为mutex；两个同步信号量，记为fullBuffers和emptyBuffers，那么具体的代码如下：
可以看到，生产者中对emptyBuffers进行了P操作用以检查是否槽全满，如果全满的话就要阻塞；在完成数据生成后，又对fullBuffers进行了V操作，这一步可以用来唤醒因槽空而阻塞的消费者。
消费者则对fullBuffers进行了P操作用以检查是否出现槽全空，如果槽全空就要阻塞；在完成数据读取后，对emptyBuffers进行了V操作，增加空槽的个数，这一步可以唤醒因槽满而阻塞的生产者。
从上面的过程中可以看出，在线程同步的关系下，信号量对于线程间的协调作用。
经典的同步问题有哲学家就餐问题和读者—写者问题，对于每个问题都有不同的信号量设计方法和各自的优劣，具体设计方法可以参考推文原文多个线程为了同个资源打起架来了，该如何让他们安分？
其中读者—写者问题就是读写锁基于信号量的实现，其中包括读优先、写优先以及公平读写三种方式。
总结
锁和信号量的用法有很多，也会比较复杂，如果想深入理解还需要阅读操作系统相关书籍，这里推荐一本很多优秀的人都读过的《操作系统导论》~