自旋锁和互斥锁区别 --- 经典

POSIX threads(简称Pthreads)是在多核平台上进行并行编程的一套常用的API。线程同步(Thread Synchronization)是并行编程中非常重要的通讯手段,其中最典型的应用就是用Pthreads提供的锁机制(lock)来对多个线程之间共 享的临界区(Critical Section)进行保护(另一种常用的同步机制是barrier)。

Pthreads提供了多种锁机制:

  1. Mutex(互斥量):pthread_mutex_***
  2. Spin lock(自旋锁):pthread_spin_***
  3. Condition Variable(条件变量):pthread_con_***
  4. Read/Write lock(读写锁):pthread_rwlock_***

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。

自旋锁(Spin lock)

自旋锁与互斥锁有点类似,只是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是 否该自旋锁的保持者已经释放了锁,”自旋”一词就是因此而得名。其作用是为了解决某项资源的互斥使用。因为自旋锁不会引起调用者睡眠,所以自旋锁的效率远 高于互斥锁。虽然它的效率比互斥锁高,但是它也有些不足之处:

  1. 自旋锁一直占用CPU,他在未获得锁的情况下,一直运行--自旋,所以占用着CPU,如果不能在很短的时 间内获得锁,这无疑会使CPU效率降低。
  2. 在用自旋锁时有可能造成死锁,当递归调用时有可能造成死锁,调用有些其他函数也可能造成死锁,如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等。

因此我们要慎重使用自旋锁,自旋锁只有在内核可抢占式或SMP的情况下才真正需要,在单CPU且不可抢占式的内核下,自旋锁的操作为空操作。自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况下。

自旋锁的用法如下:

  • 首先定义:spinlock_t x;
  • 然后初始化:spin_lock_init(spinlock_t *x);   //自旋锁在真正使用前必须先初始化
  • 在2.6.11内核中将定义和初始化合并为一个宏:DEFINE_SPINLOCK(x)
  • 获得自旋锁:spin_lock(x);   //只有在获得锁的情况下才返回,否则一直“自旋”spin_trylock(x);  //如立即获得锁则返回真,否则立即返回假
  • 释放锁:spin_unlock(x);

结合以上有以下代码段:

还有一些其他用法:

  • spin_is_locked(x)

//  该宏用于判断自旋锁x是否已经被某执行单元保持(即被锁),如果是,   返回真,否则返回假。

  • spin_unlock_wait(x)

//  该宏用于等待自旋锁x变得没有被任何执行单元保持,如果没有任何执行单元保持该自旋锁,该宏立即返回,否将循环    在那里,直到该自旋锁被保持者释放。

  • spin_lock_irqsave(lock, flags)

//  该宏获得自旋锁的同时把标志寄存器的值保存到变量flags中并失效本地中断。相当于:spin_lock()+local_irq_save()

  • spin_unlock_irqrestore(lock, flags)

//  该宏释放自旋锁lock的同时,也恢复标志寄存器的值为变量flags保存的//值。它与spin_lock_irqsave配对使用。相当于:spin_unlock()+local_irq_restore()

  • spin_lock_irq(lock)

//该宏类似于spin_lock_irqsave,只是该宏不保存标志寄存器的值。相当于:spin_lock()+local_irq_disable()

  • spin_unlock_irq(lock)

//该宏释放自旋锁lock的同时,也使能本地中断。它与spin_lock_irq配对应用。相当于: spin_unlock()+local_irq+enable()

  • spin_lock_bh(lock)

//  该宏在得到自旋锁的同时失效本地软中断。相当于:spin_lock()+local_bh_disable()

  • spin_unlock_bh(lock)

//该宏释放自旋锁lock的同时,也使能本地的软中断。它与spin_lock_bh配对使用。相当于:spin_unlock()+local_bh_enable()

  • spin_trylock_irqsave(lock, flags)

//该宏如果获得自旋锁lock,它也将保存标志寄存器的值到变量flags中,并且失效本地中断,如果没有获得锁,它什么也不做。因此如果能够立即 获得锁,它等同于spin_lock_irqsave,如果不能获得锁,它等同于spin_trylock。如果该宏获得自旋锁lock,那需要 使用spin_unlock_irqrestore来释放。

  • spin_trylock_irq(lock)

//该宏类似于spin_trylock_irqsave,只是该宏不保存标志寄存器。如果该宏获得自旋锁lock,需要使用spin_unlock_irq来释放。

  • spin_trylock_bh(lock)

//  该宏如果获得了自旋锁,它也将失效本地软中断。如果得不到锁,它什么也不做。因此,如果得到了锁,它等同于spin_lock_bh,如果得 不到锁,它等同于spin_trylock。如果该宏得到了自旋锁,需要使用spin_unlock_bh来释放。

  • spin_can_lock(lock)

//  该宏用于判断自旋锁lock是否能够被锁,它实际是spin_is_locked取反。如果lock没有被锁,它返回真,否则,返回 假。该宏在2.6.11中第一次被定义,在先前的内核中并没有该宏。

自旋锁的获得和释放有多种方法,要根据场合选择,可以去http://soft.yesky.com/os/lin/10/2303010_4.shtml看看,介绍了很多关于自旋锁的使用知识。本文引用了很多上面的知识。

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