杂谈从底层看锁的实现2

Posted 2022-03-01 longfurcat

前言

我的上一篇博客的案例中，请求锁的线程如果发现锁已经被其他线程占用，它是通过自旋的方式来等待的，也就是不断地尝试直到成功。本篇就讨论一下另一种方式，那就是挂起以等待唤醒。

注：相关代码都来自《Operating System: Three Easy Pieces》这本书。

自旋哪里不好？

先说明一下，自旋也有它的好处，不过这里先不讲，我们先讲它可能存在哪些问题。

我们考虑一个极端的场景，某个电脑只有一个CPU，这时候有2个线程竞争锁，线程A获得了锁，进入临界区，开始执行临界区的代码（由于只有一个CPU，线程A在执行的时候，线程B只能在就绪队列中等待）。结果线程A还没执行完临界区的代码，时间片就用完了，于是发生上下文切换，线程A被换了出去，现在开始执行线程B，线程B就开始尝试获取锁。

这时候尴尬的事情就来了，拥有锁的线程没在运行，也就不能释放锁。而占据CPU的线程由于获取不到锁，就只能自旋直到用完它的时间片。

这还只是2个线程的情况，如果等待的线程有100多个呢，那在轮询调度器的场景下，线程A是不是要等到这100多个线程全部空转完才能运行，这浪费可就大了！

用yield()让出CPU怎么样？

 yield()方法是把调用线程之间切出，放回就绪队列。这个方法与前面的不同就在于，当线程B恢复执行的时候，它只会尝试一次，如果失败，则直接退出，而不会用完它的整个时间片。也就是说被调度的线程最多只会尝试一次。这样虽然会比自旋好一点。但是开销还是不小，对于100多个等待线程的情况，每个都要进行一遍run-and-yield操作。上下文切换的开销也是不容小觑的。

直接挂起，等待唤醒

前面有之所以还会有过多的上下文切换，就是因为等待的线程还是会不断尝试，只是没之前那么频繁罢了。

那不让这些等待线程执行不就好了？

可以啊，只需要将这些线程移出就绪队列，它们就不会被OS调度，也就不会被运行。

挂起是可以了，还得想想谁来唤醒，怎么唤醒？

唤醒操作肯定由释放锁的线程处理。另一方面，我们把线程挂起的时候，肯定得用一个数据结构把这个线程的信息记录下来，不然要唤醒的时候都不知道该唤醒谁。而这个数据结构肯定得跟锁对象关联起来，这样释放锁的线程也就知道该从哪里拿这些数据。

typedef struct __lock_t 
    int flag; //标识，锁是否被占用
    int guard; //守护字段
    queue_t *q; //等待队列，用于存储等待的线程信息
 lock_t;

void lock_init(lock_t *m) 
    m->flag = 0;
    m->guard = 0;
    queue_init(m->q);


void lock(lock_t *m) 
    while(TestAndSet(&m->guard, 1) == 1)
        ;//通过自旋获得guard
    if (m->flag == 0) 
        m->flag = 1;
        m->guard = 0;
     else 
        queue_add(m->q, gettid());
        m->guard = 0; //注意：在park()之前调用
        park(); //park()调用之前，线程已经成功加入队列
    


void unlock(lock_t *m) 
    while(TestAndSet(&m->guard, 1) == 1)
        ;//通过自旋获取guard
    if(queue_empty(m->q)) //如果没有等待的线程，则将锁标识为“空闲”
        m->flag = 0; 
    else
        unpark(queue_remove(m->q)); //唤醒一个等待线程，此时锁标识仍为“已占用”
    m->guard = 0;

park()与unpark(threadID)

park()与unpark(threadID)是Solaris系统提供的原语，用于挂起和恢复线程。其他系统一般也会提供，但是细节可能有所不同。

park()  => 将当前调用线程挂起

uppark(threadID)  => 根据线程ID唤醒指定线程。

guard字段的用途

我在看这段代码的时候有一个疑问，那就是这个queue_t是在哪里定义的，它到底是什么样子？这个队列内部是不是要做同步操作？不同步的话， 多个线程同时访问，队列的数据结构就可能被破坏。实际上，仔细看代码就会发现，在操作队列的时候，线程需要先获得guard。也就是说，同一时刻只能有一个线程能够访问队列。所以这个队列是安全的，它自身并不需要提供同步。所以，书上才没有贴出源码。随便一个队列实现就可以了。

实际上guard字段用于控制多线程对lock对象的访问，同一时刻只能有一个线程能够对lock对象的其他信息（除guard字段外）进行修改。

上述代码存在的问题

由代码可知，当guard被释放的时候，其他线程就能访问Lock对象了。那就可能出现一种情况，即释放了guard，但还没来得及执行park()就发生了上下文切换。这个时候存在什么问题呢，我们来看下图：

由于上下文切换的缘故，Thread A 已经加入了等待队列，但并没有执行挂起操作。结果占有锁的线程释放的时候，刚好从队列中取出Thread A，Thread A被唤醒，放入就绪队列，等到下次调度的时候执行。Thread A恢复，继续向下执行，调用park()方法。结果就是Thead A被永久地挂起！！！。因为这个时候它已经从等待队列中移除了，谁也不知道它被挂起了。

OS提供的解决方法

OS提供一个setpark()函数来标识某个线程将要执行park()操作。如果在这个线程（比如Thread A）执行park()操作之前，其他线程（如Thread B）对其执行了unpark(threadID)方法，则该线程（Thread A）在执行park()会立即返回。更改如下：

...
queue_add(m->q, gettid());
setpark();
m->guard=0;
park();
...

PS：实际上这个setpark()函数应该也只是在底层的Thread对象中设置了一个flag，park()函数内会查看一下这个flag。只不过这个底层的Thread对象我们访问不到罢了。