Linux 自旋鎖，互斥量（互斥鎖），讀寫鎖

自旋鎖（Spin Lock）

自旋鎖類似於互斥量，不過自旋鎖不是通過休眠阻塞程序，而是在取得鎖之前一直處於忙等待的阻塞狀態。這個忙等的阻塞狀態，也叫做自旋。

自旋鎖通常作為底層原語實現其他型別的鎖。

適用場景：

1）鎖被持有的時間短，而且執行緒不希望在重新排程上花費太多的成本；

2）在非搶佔式核心中，會阻塞中斷，這樣中斷處理程式不會讓系統陷入死鎖狀態。因為中斷處理程式無法休眠，只能使用這種鎖；

缺點：

1）執行緒自旋等待鎖變成可用時，CPU不能做其他事情，會浪費CPU資源；

虛擬碼

S = 1

執行緒P:

// 進入區

while (S <= 0) ; // 自旋

S--; // P操作

... // 臨界區

// 退出區

S++; // V操作

自旋鎖介面

自旋鎖介面與互斥量類似，容易相互替換。

#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）如果自旋鎖當前在解鎖狀態，pthread_spin_lock不用自旋，就可以對它加鎖；

2）如果自旋鎖當前在加鎖狀態，再獲得鎖的結果是未定義的。如果呼叫pthread_spin_lock，會返回EDEADLK錯誤或其他錯誤，或者呼叫者可能會永久自旋。取決於具體實現。

3）試圖對沒有加鎖的自旋鎖解鎖，結果也是未定義的。

示例

自旋鎖使用

#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); // 獲得鎖

    printf("thread main %d get the lock begin\n", id);

    printf("thread main %d get the lock end\n", id);

    pthread_spin_unlock(&spinlock); // 釋放鎖

    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); // 建立執行緒

    }

    for (i = 0; i < THREAD_NUM; i++) {

        pthread_join(tids[i], NULL); // 連線執行緒

    }

    return 0;

}

互斥量（互斥鎖, Mutex）

互斥量（Mutex）通過休眠阻塞程序/執行緒，確保同一時間只有一個執行緒訪問資料。休眠，也就意味著會放棄CPU資源。

加鎖

對互斥量加鎖後，任何其他試圖再次對互斥量加鎖的執行緒，都會被阻塞，直到當前執行緒釋放該互斥鎖。

解鎖

如果阻塞在該互斥鎖上的執行緒有多個，當鎖可用時，所有執行緒都會變成可執行狀態，第一個變為執行的執行緒，就可以對互斥量加鎖，其他執行緒則再次等待鎖而進入休眠。

適用場景

多執行緒或多程序執行環境，需要對臨界區資源進行保護時。

缺點

1）使用不當，任意導致死鎖；

2）無法表示臨界區資源可用數量（由訊號量解決）；

介面

#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); // 函式方式初始化，attr是執行緒屬性

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; // 直接賦值方式初始化

int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex); // 加鎖

int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex); // 嘗試加鎖，不會阻塞

int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex); // 解鎖

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;

}

讀寫鎖（Read-Write Lock）

讀寫鎖類似於互斥量，不過讀寫鎖允許更高的並行性。讀寫鎖，也叫共享互斥鎖（shared-exclusive lock）。

當讀寫鎖以讀模式鎖住時，可以說成是以共享模式鎖住的。當以寫模式鎖住時，可以說成是以互斥模式鎖住的。

讀寫鎖與互斥鎖的區別

讀寫鎖與互斥鎖的區別在於：

互斥鎖要麼是加鎖狀態，要麼是不加鎖狀態，而且一次只有一個執行緒能取得鎖、對其加鎖；

讀寫鎖可以有3種狀態：讀模式加鎖，寫模式加鎖，不加鎖。一次只有一個執行緒能佔有寫模式的讀寫鎖，不過多個執行緒可以同時佔有讀模式的讀寫鎖。

1）當讀寫鎖是寫加鎖狀態時，在被解鎖前，所有試圖對其加鎖的執行緒都會被阻塞。

2）當讀寫鎖是讀加鎖狀態時，在被解鎖前，所有以讀模式加鎖的執行緒都可以得到訪問權，以寫模式加鎖的執行緒會被阻塞。

簡而言之，讀寫鎖是讀狀態與讀狀態之間共享，與寫狀態之間互斥，寫狀態是與任何狀態互斥。

互斥鎖是隻有加鎖和解鎖狀態，加鎖狀態之間互斥。

適用場景

讀寫鎖非常適合對資料結構進行讀操作的次數遠大於寫的情況。

使用介面

初始化銷燬：

#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; // 直接賦值方式初始化讀寫鎖

attr = NULL，表示使用預設的讀寫鎖屬性。

讀、寫模式獲得鎖，解鎖：

#include <pthread.h>

int pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 讀模式取得鎖

int pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 讀模式取得鎖的條件版本

int pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 寫模式取得鎖

int pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 寫模式取得鎖的條件版本

int pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t *rwlock); // 解鎖

注意：

1）不論是處於寫模式，還是讀模式，都可以用pthread_rwlock_unlock解鎖。

2）條件版本不會阻塞執行緒。

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