操作系统中锁的原理（转）

Posted 2020-11-30 zl1991

1. 概述

       为了保证数据的一致性，在多线程编程中我们会用到锁，使得在某一时间点，只有一个线程进入临界区代码。虽然不同的语言可能会提供不同的锁接口，但是底层调用的都是操作系统的提供的锁，不同的高级语言只是在操作系统的锁机制基础上进行了些封装而已，要真正理解锁，还是得看操作系统是怎么实现锁的。

2. 锁的本质

       所谓的锁，本质上只是内存中的一个整形数，不同的数值表示不同的状态，比如1表示空闲状态和加锁状态。加锁时，判断锁是否空闲，如果空闲，修改为加锁状态，返回成功，如果已经上锁，返回失败，解锁时，就把锁状态修改为空闲状态。
       加锁和解锁看起来都很简单，但是os是怎么保证锁操作本身的原子性呢？ 在多核环境中，两个核上的代码同时申请一个锁，两个核同时读取锁变量，同时判断锁是空闲的，再各自修改锁变量为上锁状态，都返回成功，这样两个核同时获取到了锁， 这种情况可能吗？ 当然是不可能的，那么os是通过什么手段来保证锁操作本身的原子性的呢？我们可以把上锁的过程具体表示为：

1. 读内存表示锁的变量
2. 判断锁的状态
3. 如果已经加锁，返回失败
4. 把锁设置为上锁状态，
5. 返回成功
         上面的每一个步骤都对应一条汇编语句，可以认为这每一步操作都是原子的，什么情况会导致两个线程同时获取到锁？

• 中断： 当线程A执行完第一步后，发生了中断，os调度线程B，线程B也来加锁并且加锁成功，此时又发生中断，OS调度线程A执行，从第二步开始，也加锁成功。
• 多核： 见上面例子。
  那么怎么解决呢？ 能不能让硬件做一种加锁的原子操作呢？ 大名鼎鼎的“test and set”指令就是做这个事情的，该指令将读取内存、判断和设置值作为一个原子操作。单核环境下，锁的操作肯定是原子性了，多核呢？貌似还是不行，因为多个核心他们的锁操作是没有干扰的，都能够同时执行“test and set”，还是会出现两个线程同时获取到锁的情况， 所以硬件提供了锁内存总线的机制，在锁内存总线的状态下执行“test and set”操作就可以保证一个只有一个核执行成功，也就保证了不会存在多线程获取到锁的情况。

3. 硬件上怎么实现的

       前面提到，cpu会通过对总线加锁的手段来解决多核同时获取锁的情况，它到时是怎么实现的呢？ 在cpu芯片上有一个HLOCK Pin，可以通过发送指令来操作，将#HLOCK Pin电位拉低，并持续到这条指令执行完毕，从而将总线锁住，这样同一总线上的其他CPU就不能通过总线来访问内存了。最开始这些功能是用来测试cpu的，后来被操作系统实现而封装成各种功能：关键代码段，信号量等。
       在加锁的代码编译成汇编后，会有个lock指令前缀：

Causes the processor‘s LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal insures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.

lock会使得紧跟在其后的指令变成atomic instruction，暂时的锁一下总线，指令执行完，总线就解锁了。

4. 小结

       在硬件层面，cpu提供了原子操作、锁内存总线等机制，OS根据这几个cpu硬件机制就能够实现锁，在基于锁，就能实现各种各样的同步机制（信号量、消息等等），要理解os提供的各种同步手段，需要先理解os是怎么实现锁的。

作者：tracy_668
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来源：简书
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