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深入探究C/C++中互斥量(鎖)的實現(xiàn)原理

更新時間：2024年06月02日 09:12:02 作者：螺螄粉只吃炸蛋的走風(fēng)

? 互斥量是一種同步原語,用于保護(hù)多個線程同時訪問共享數(shù)據(jù),互斥量提供獨占的、非遞歸的所有權(quán)語義,本文將和大家一起深入探究C/C++中互斥量(鎖)的實現(xiàn)原理,感興趣的小伙伴跟著小編一起來看看吧

互斥量的概念

互斥量（mutex）是一種同步原語，用于保護(hù)多個線程同時訪問共享數(shù)據(jù)?；コ饬刻峁┆氄嫉?、非遞歸的所有權(quán)語義：一個線程從成功調(diào)用lock或try_lock開始，到調(diào)用unlock結(jié)束，都擁有互斥量。

何為原子性操作

程序的原子性指：整個程序中的所有操作，要么全部完成，要么全部不完成，不可能停滯在中間某個環(huán)節(jié)。

原子性在一個操作是不可中斷的，要么全部執(zhí)行成功要么全部執(zhí)行失敗，有著 “同生共死” 的感覺。在多個線程一起執(zhí)行的時候，一個操作一旦開始，就不會被其他線程所干擾

如果要保證原子性，必須符合以下兩條規(guī)則：

運(yùn)算結(jié)果并不依賴于變量的當(dāng)前值，或者能夠確保只有一個線程修改變量的值。

變量不需要與其他的狀態(tài)變量共同參與不變約束。

原理探究

首先給出一段加鎖場景的部分代碼：

void route(ThreadData *td)
{
    // 加鎖
    while (true)
    {
        pthread_mutex_lock(&td->_mutex);    // 加鎖
        if (td->_tickets > 0)
        {
            // 模擬一次搶票的邏輯
            usleep(1000);
            printf("%s running, get tickets: %d\n", td->_name.c_str(), td->_tickets);
            td->_tickets--;
            pthread_mutex_unlock(&td->_mutex); // 解鎖
            td->_total++;
        }
        else
        {
            pthread_mutex_unlock(&td->_mutex); // 解鎖
            break;
        }
    }
}

上面這段代碼模擬了搶票邏輯，將多線程并行搶票通過鎖的加入變?yōu)榇袌?zhí)行，有效避免了惡意數(shù)據(jù)競爭(data race)。

我們不妨假定有兩個線程同時執(zhí)行到加鎖指令位置：

在這里插入圖片描述

（上圖左側(cè)部分為加鎖和解鎖對應(yīng)的匯編語言代碼，其中每一行簡單匯編指令的執(zhí)行都是原子的）

不妨設(shè)定 thread-1 先進(jìn)入 lock 邏輯 (thread-2先進(jìn)入同理，不影響推斷)：

（這里的先進(jìn)入 lock 邏輯，實際上指的是先執(zhí)行左側(cè)匯編語言中 xchgb &al, mutex 語句）

這就意味著 thread-1先執(zhí)行交換語句，將系統(tǒng)指定初始的 mutex 值 (存儲在內(nèi)存中) 與寄存器初始值 0 進(jìn)行交換，從而寄存器中值變?yōu)?。

在這里插入圖片描述

由于匯編語言簡單語句的單行執(zhí)行是原子的，此時thread-1 已經(jīng)執(zhí)行完 xchgb &al, mutex 語句，所以不排除 thread-2 緊接著也執(zhí)行 xchgb &al, mutex 語句的可能。（線程被切換的時機(jī)是隨時的）

這時我們需要注意：

CPU寄存器的硬件只有一套，但是寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)，屬于線程的硬件上下文！
數(shù)據(jù)在內(nèi)存中存儲時，所有線程都能訪問，屬于共享資源，但是當(dāng)數(shù)據(jù)從內(nèi)存移動到寄存器時，就屬于一個線程私有了！

當(dāng)執(zhí)行線程從 thread-1 變?yōu)?thread-2 時，隸屬于 thread-1 的寄存器硬件上下文被取走，thread-1::%al 寄存器值為1，CPU內(nèi)%al寄存器值恢復(fù)為空。

所以，當(dāng) thread-2 執(zhí)行 xchgb &al, mutex 語句時，訪問到寄存器內(nèi)存儲的內(nèi)容為自身線程所屬寄存器的初始值（thread-2 先前執(zhí)行了 moveb $0, %al ，所以初始值為0），由于內(nèi)存中 mutex 初始值1已經(jīng)被 thread-1 交換取走，此時內(nèi)存中 mutex 的值為0，進(jìn)行交換后 %al寄存器中的值依然為0。

經(jīng)過匯編的下層判斷語句 if(%al寄存器內(nèi)容 > 0) 不符合條件，故 thread-2 沒有成功獲得鎖，需要執(zhí)行 goto lock 語句重新申請鎖的資源。

在這里插入圖片描述

綜上我們可以看到，所有線程在爭鎖的時候，只有一個 1 ?。?！

至此，我們發(fā)現(xiàn) thread-2 想要繼續(xù)執(zhí)行，就必須等待 thread-1 釋放鎖，所以程序的執(zhí)行流程就由 thread-1 執(zhí)行到釋放鎖結(jié)束后，將內(nèi)存中 mutex 變量置為1，thread-2 才終止等待，獲得 thread-1 釋放的鎖后，執(zhí)行自身的代碼邏輯。