自旋锁(Spin Lock)

自旋锁类似于互斥量,不过自旋锁不是通过休眠阻塞进程,而是在取得锁之前一直处于忙等待的阻塞状态。这个忙等的阻塞状态,也叫做自旋。

自旋锁通常作为底层原语实现其他类型的锁。

适用场景:

1)锁被持有的时间短,而且线程不希望在重新调度上花费太多的成本;

2)在非抢占式内核中,会阻塞中断,这样中断处理程序不会让系统陷入死锁状态。因为中断处理程序无法休眠,只能使用这种锁;

缺点:

1)线程自旋等待锁变成可用时,CPU不能做其他事情,会浪费CPU资源;

伪代码

S = 1

线程P:
// 进入区
while (S <= 0) ; // 自旋
S--; // P操作 ... // 临界区 // 退出区
S++; // V操作

自旋锁接口

自旋锁接口与互斥量类似,容易相互替换。

#include <pthread.h>

int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

注意:

1)如果自旋锁当前在解锁状态,pthread_spin_lock不用自旋,就可以对它加锁;

2)如果自旋锁当前在加锁状态,再获得锁的结果是未定义的。如果调用pthread_spin_lock,会返回EDEADLK错误或其他错误,或者调用者可能会永久自旋。取决于具体实现。

3)试图对没有加锁的自旋锁解锁,结果也是未定义的。

示例

自旋锁使用

#include <pthread.h>
#include <stdio.h> #define THREAD_NUM 100 pthread_spinlock_t spinlock; void *thread_main(void *arg)
{
int id = (int)arg; pthread_spin_lock(&spinlock); // 获得锁
printf("thread main %d get the lock begin\n", id);
printf("thread main %d get the lock end\n", id); pthread_spin_unlock(&spinlock); // 释放锁
return NULL;
} int main()
{
pthread_spin_init(&spinlock, 0); /* PTHREAD_PROCESS_PRIVATE == 0*/ int x = PTHREAD_PROCESS_PRIVATE;
printf("x = %d\n", x); int i;
pthread_t tids[THREAD_NUM];
for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_create(&tids[i], NULL, thread_main, i); // 创建线程
} for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_join(tids[i], NULL); // 连接线程
} return 0;
}

互斥量(互斥锁, Mutex)

互斥量(Mutex)通过休眠阻塞进程/线程,确保同一时间只有一个线程访问数据。休眠,也就意味着会放弃CPU资源。

加锁

对互斥量加锁后,任何其他试图再次对互斥量加锁的线程,都会被阻塞,直到当前线程释放该互斥锁。

解锁

如果阻塞在该互斥锁上的线程有多个,当锁可用时,所有线程都会变成可运行状态,第一个变为运行的线程,就可以对互斥量加锁,其他线程则再次等待锁而进入休眠。

适用场景

多线程或多进程运行环境,需要对临界区资源进行保护时。

缺点

1)使用不当,任意导致死锁;

2)无法表示临界区资源可用数量(由信号量解决);

接口

#include <pthread.h>

int pthread_mutex_destroy(pthread_mutex_t *mutex);
int pthread_mutex_init(pthread_mutex_t *restrict mutex, const pthread_mutexattr_t *restrict attr); // 函数方式初始化,attr是线程属性
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 直接赋值方式初始化 int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 加锁
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 尝试加锁,不会阻塞
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解锁

使用示例

#define THREAD_NUM 100

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

void *thread_main(void *arg)
{
int id = (int)arg; pthread_mutex_lock(&mutex);
printf("thread main %d get the lock begin\n", id);
printf("thread main %d get the lock end\n", id); pthread_mutex_unlock(&mutex);
return NULL;
} int main()
{
int i;
pthread_t tids[THREAD_NUM];
for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_create(&tids[i], NULL, thread_main, i);
} for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {
pthread_join(tids[i], NULL);
} return 0;
}

读写锁(Read-Write Lock)

读写锁类似于互斥量,不过读写锁允许更高的并行性。读写锁,也叫共享互斥锁(shared-exclusive lock)。

当读写锁以读模式锁住时,可以说成是以共享模式锁住的。当以写模式锁住时,可以说成是以互斥模式锁住的。

读写锁与互斥锁的区别

读写锁与互斥锁的区别在于:

互斥锁 要么是加锁状态,要么是不加锁状态,而且一次只有一个线程能取得锁、对其加锁;

读写锁 可以有3种状态:读模式加锁,写模式加锁,不加锁。一次只有一个线程能占有写模式的读写锁,不过多个线程可以同时占有读模式的读写锁。

1)当读写锁是写加锁状态时,在被解锁前,所有试图对其加锁的线程都会被阻塞。

2)当读写锁是读加锁状态时,在被解锁前,所有以读模式加锁的线程都可以得到访问权,以写模式加锁的线程会被阻塞。

简而言之,读写锁是读状态与读状态之间共享,与写状态之间互斥,写状态是与任何状态互斥。

互斥锁是只有加锁和解锁状态,加锁状态之间互斥。

适用场景

读写锁非常适合对数据结构进行读操作的次数 远大于写的情况。

使用接口

初始化销毁:

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_destroy(pthread_rwlock_t *rwlock);
int pthread_rwlock_init(pthread_rwlock_t *restrict rwlock,
const pthread_rwlockattr_t *restrict attr); pthread_rwlock_t rwlock = PTHREAD_RWLOCK_INITIALIZER; // 直接赋值方式初始化读写锁

attr = NULL,表示使用默认的读写锁属性。

读、写模式获得锁,解锁:

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 读模式取得锁
int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 读模式取得锁的条件版本 int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 写模式取得锁
int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 写模式取得锁的条件版本 int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 解锁

注意:

1)不论是处于写模式,还是读模式,都可以用pthread_rwlock_unlock解锁。

2)条件版本不会阻塞线程。

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