多线程编程之数据访问互斥

Posted 2020-10-17 拙园

在多线程存在的环境中，除了堆栈中的临时数据之外，所有的数据都是共享的。如果我们需要线程之间正确地运行，那么务必需要保证公共数据的执行和计算是正确的。简单一点说，就是保证数据在执行的时候必须是互斥的。否则，如果两个或者多个线程在同一时刻对数据进行了操作，那么后果是不可想象的。

　　保证多线程之间的数据访问互斥，有以下四类方法：

　　（1）关中断

　　（2）数学互斥方法

　　（3）操作系统提供的互斥方法

　　（4）CPU原子操作

　　下面针对这四种方法进行详细说明：

（1）关中断

　　既然多线程之间的中断切换会导致访问同一数据的不同步，那么关闭线程中断切换肯定能过避免这个问题。而且，Intel X86系列CPU中确实存在这样的关闭中断指令。参照如下代码：

#include <stdio.h>  
int main()  
{  
    __asm{  
        cli  
        sti  
    }  
    return 1;  
}

　　其中cli是关中断，sti是开中断。这段代码没有什么问题，可以编过，当然也可以生成执行文件。但是在执行的时候会出现一个异常告警：Unhandled exception in test.exe: 0xC0000096:  Privileged Instruction。告警已经说的很清楚了，这是一个特权指令。只有系统或者内核本身才可以使用这个指令。

    不过，大家也可以想象一下。因为平常我们编写的程序都是应用级别的程序，要是每个程序都是用这些代码，那不乱了套了。比如说，你不小心安装一个低质量的软件，说不定什么时候把你的中断关了，这样你的网络就断了，你的输入就没有回应了，你的音乐什么都没有了，这样的环境你受的了吗？应用层的软件是千差万别的，软件的水平也是参差不齐的，所以系统不可能相信任何一个私有软件，它相信的只是它自己。简单来说，作为应用程序开发，这个方法肯定是不可取的。

（2）数据方法

　　通过某个数学算法，可以确保不同的线程之间只可能其中一个访问某个数据。例如有两个线程操作同一个变量，可以采用如下算法：

unsigned int flag[2] = {0};
unsigned int turn = 0;

void process(unsigned int index)
{
    flag[index] = 1;
    turn =  1 - index;

    while(flag[1 - index] && (turn == (1 - index)));
    do_something();
    flag[index] = 0;
}

　　其实，学过操作系统的朋友都知道，上面的算法其实就是Peterson算法，可惜它只能用于两个线程的数据互斥。当然，这个算法还可以推广到更多线程之间的互斥，那就是bakery算法。但是数学算法有两个缺点：

    a）占有空间多，两个线程就要flag占两个单位空间，那么n个线程就要n个flag空间；

    b）代码编写复杂，考虑的情况比较复杂。

（3）操作系统提供的互斥方法

　　系统提供的互斥算法其实是我们平时开发中用的最多的互斥工具。就拿windows来说，关于互斥的工具就有临界区、互斥量、信号量等等。这类算法有一个特点，那就是都是依据系统提高的互斥资源，那么系统又是怎么完成这些功能的呢？其实也不难。

　　举一个最简单的系统锁实现方法：

void Lock(HANDLE hLock)
{
    __asm {cli};

    while(1){
        if(/* 锁可用*/){
            /* 设定标志，表明当前锁已被占用 */
            __asm {sti};
            return;
        }

        __asm{sti};
        schedule();
        __asm{cli};
    }
}

void UnLock(HANDLE hLock)
{
    __asm {cli};
    /* 设定标志， 当前锁可用 */
    __asm{sti};
}

　　从代码中可以看出，采用的CPU的中断关闭与开启指令就能够实现一个简单的系统锁。不过这个例子没有考虑就绪线程的压栈等问题，实际情况会更加复杂些。

（4）CPU原子操作

　　在多线程中经常会涉及到一个经常用到而又非常简单的计算操作，这个时候使用互斥量、信号量等实现互斥操作显得不划算。因此，CPU厂商将一些常用的操作设计成原子指令，在Windows系统中也称之为原子锁。常用的原子操作包括：

InterLockedAdd
InterLockedExchange
InterLockedCompareExchange
InterLockedIncrement
InterLockedDecrement
InterLockedAnd
InterLockedOr