临界区、信号量、互斥锁、自旋锁与原子操作

临界区、信号量、互斥锁、自旋锁与原子操作

临界区

程序想要使用共享资源，必然通过一些指令去访问这些资源，若多个任务都访问同一资源，那么访问该资源的指令代码组成的区域称临界区。简而言之，临界区是代码

信号量

信号量简单的说是一种计数器，用P/V操作表示减和增。
增加操作包括两个微操作：

增加：

1. 将信号量的值加一
2. 唤醒此信号量上等待的线程

减少：

1. 判断信号量的值是否大于0
2. 如果值大于0，则将信号量减1
3. 若果信号量等于0，则当前线程将自己阻塞

信号量的值代表资源剩余量，我们可以用二元信号量实现锁。

自旋锁

如果进线程无法取得锁，进线程不会立刻放弃CPU时间片，而是一直申请CPU时间片轮询自旋锁，直到获取为止，一般应用于加锁时间很短（1ms左右或更低）的场景。

这可以避免进程因被识别为“资源不足”而被操作系统置入休眠队列，从而避免不必要的上下文切换开销；但缺点是，它会导致“申请不到锁时执行死循环”，使得CPU核心占用100%——如果是单核单线程CPU，它就白白发一个时间片的热然后失去执行权（因为它占用了时间片，导致能释放资源给它的进/线程压根得不到执行机会）；只有在多CPU和/或多核和/或多线程硬件平台上、且这个锁一定会在远短于一个时间片的时间内被请求到，它才可能真正提高效率（否则又是白白浪费时间、电力让CPU发热了）。

互斥锁

自旋锁”是一种“申请不到也不知会操作系统”的锁。其它锁都是“申请不到就通知操作系统：资源不足，我没法干活了，申请休息”。 于是操作系统暂停当前进程（线程）并将其置于等待/休眠队列，腾出它的CPU给其它进/线程使用；直到另外一个进程（线程）释放锁、它才可以再次得到执行机会。

有的资源同时只允许一个访问，无论读写；于是我们抽象它为“互斥锁”。

原子操作

原子操作，就是不能被更高等级中断抢夺优先的操作。由于操作系统大部分时间处于开中断状态，所以，一个程序在执行的时候可能被优先级更高的线程中断。而有些操作是不能被中断的，不然会出现无法还原的后果，这时候，这些操作就需要原子操作。就是不能被中断的操作。

硬件级的原子操作：在单处理器系统（UniProcessor）中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是“原子操作”，因为中断只发生在指令边缘。在多处理器结构中（Symmetric Multi-Processor）就不同了，由于系统中有多个处理器独立运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。在X86平台生，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU上有一根引线#HLOCK pin连到北桥，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀”LOCK”，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。