22、【Linux系统编程】自旋锁 互斥锁

Linux 自旋锁

自旋锁是SMP(多处理器结构)架构中的一种low-level的同步机制。
     当线程A想要获取一把自旋锁而该锁又被其它线程锁持有时,线程A会在一个循环中自旋以检测锁是不是已经可用了。对于自选锁需要注意:

  • 由于自旋时不释放CPU,因而持有自旋锁的线程应该尽快释放自旋锁,否则等待该自旋锁的线程会一直在那里自旋,这就会浪费CPU时间。
  • 持有自旋锁的线程在sleep之前应该释放自旋锁以便其它线程可以获得自旋锁。

使用任何锁需要消耗系统资源(内存资源和CPU时间),这种资源消耗可以分为两类:

  • 建立锁所需要的资源
  • 当线程被阻塞时锁所需要的资源

Pthreads提供的与Spin_Lock锁操作相关的API主要有:

1 int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *);
2 int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *, int);
3 int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *);
4 int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *);
5 int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *);

1)初始化自旋锁

pthread_spin_init用来申请使用自旋锁所需要的资源并且将它初始化为非锁定状态。pshared的取值及其含义:

  • PTHREAD_PROCESS_SHARED:该自旋锁可以在多个进程中的线程之间共享。
  • PTHREAD_PROCESS_PRIVATE:仅初始化本自旋锁的线程所在的进程内的线程才能够使用该自旋锁。

2)获得一个自旋锁

  pthread_spin_lock用来获取(锁定)指定的自旋锁. 如果该自旋锁当前没有被其它线程所持有,则调用该函数的线程获得该自旋锁.
否则该函数在获得自旋锁之前不会返回。如果调用该函数的线程在调用该函数时已经持有了该自旋锁,则结果是不确定的。

3)尝试获取一个自旋锁

 pthread_spin_trylock会尝试获取指定的自旋锁,如果无法获取则立即返回失败。

4)释放(解锁)一个自旋锁

 pthread_spin_unlock用于释放指定的自旋锁。

5)销毁一个自旋锁

  pthread_spin_destroy 用来销毁指定的自旋锁并释放所有相关联的资源(所谓的所有指的是由pthread_spin_init自动申请的资源)在调用该函数之后如果没有调用 pthread_spin_init重新初始化自旋锁,则任何尝试使用该锁的调用的结果都是未定义的。如果调用该函数时自旋锁正在被使用或者自旋锁未被初 始化则结果是未定义的。

互斥量和自旋锁的区别:

Pthreads提供的Mutex锁操作相关的API主要有:

1 pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *mutex);
2 pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *mutex);
3 pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *mutex);

Pthreads提供的与Spin Lock锁操作相关的API主要有:

1 pthread_spin_lock (pthread_spinlock_t *lock);
2 pthread_spin_trylock (pthread_spinlock_t *lock);
3 pthread_spin_unlock (pthread_spinlock_t *lock);

  从实现原理上来讲,Mutex属于sleep-waiting类型的 锁。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B),它们分别运行在Core0和Core1上。假设线程A想要通过 pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁,而此时这个锁正被线程B所持有,那么线程A就会被阻塞(blocking),Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中,此时Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而Spin lock则不然,它属于busy-waiting类型的锁,如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁,那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求,直到得到这个锁为止。

  对于自旋锁来说,它只需要消耗很少的资源来建立锁;随后当线程被阻塞时,它就会一直重复检查看锁是否可用了,也就是说当自旋锁处于等待状态时它会一直消耗CPU时间。
        对于互斥锁来说,与自旋锁相比它需要消耗大量的系统资源来建立锁;随后当线程被阻塞时,线程的调度状态被修改,并且线程被加入等待线程队列;最后当锁可用 时,在获取锁之前,线程会被从等待队列取出并更改其调度状态;但是在线程被阻塞期间,它不消耗CPU资源。
        因此自旋锁和互斥锁适用于不同的场景。自旋锁适用于那些仅需要阻塞很短时间的场景,而互斥锁适用于那些可能会阻塞很长时间的场景。

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