当多个线程共享相同的内存时,需要确保每个线程看到一致的数据视图,当多个线程同时去修改这片内存时,就可能出现偏差,得到与预期不符合的值。为啥需要同步,一件事情逻辑上一定是有序的,即使在并发环境下;而操作系统对于多线程不会自动帮我们串行化,所以需要我们通过操作系统提供的同步方式api,结合自己的业务逻辑,利用多线程提高性能的同时,保证业务逻辑的正确性。一般而言,linux下同步方式主要有4种,原子锁,互斥量,读写锁和条件变量。下面一一介绍几种同步方式。
1. spinlock
1) 概念
spinlock是一种互斥结构,通过CPU提供的特殊的原子指令集合实现互斥地访问一个资源,需要硬件支持。一个线程访问数据未结束的时候,其他线程不得对同一个数据进行访问。
2) 实现
spinlock一般基于原子的read-modify-write操作实现。read-modify-write操作允许一个CPU读取一个值,修改该值,并将修改完成的值回写内存的三个操作作为一个原子总线操作,因此需要CPU特殊支持。具体而言,通过test-and-set指令实现,从内存中读取一个值,然后和0比较,并且将内存中的值设置为1。
3) 相关函数
a) 原子操作
1 test_and_set(volatile int* addr, value)
2 {
3 return os_atomic_test_and_set_int(addr,value);
4 }
这里volatile修饰词告诉编译器从内存中获取,保证正确性,避免从寄存器中读取到不准确的值。
b) 设置锁变量
1 set_spinlock(lock_word)
2 {
3 int i = 0;
4 int value;
5 while (true)
6 {
7 value = test_and_set(&lock_word, 1);
8 if (value == 0) //尚未被占用,可以获取
9 break;
10 else //已经被其他线程占用,继续轮转
11 do nothing
12 }
13 }
c) 重置锁变量
1 reset_spinlock(lock_word)
2 {
3 test_and_set (lock_word, 0);
4 }
2. mutex
1) 概念
与 spinlock作用相同,保证互斥地访问一个资源。
2) 相关函数
int pthread_mutex_lock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_trylock(pthread_mutex_t *mutex)
int pthread_mutex_unlock(pthread_mutex_t *mutex)
pthread_mutex_trylock()语义与pthread_mutex_lock()类似,不同的是在锁已经被占据时返回EBUSY而不是挂起等待。
3) spinlock与mutex的区别
a) 作用范围,mutex是内核对象,可以在多线程,多进程同步中使用;spinlock作用范围仅限于本进程(锁变量是进程内的),仅适用于多线程同步。
b) spinlock依赖于硬件的原子操作指令
c) 线程获取spinlock失败时,会采取循环等待的方式,此时线程处于运行状态,CPU空转;而获取mutex失败时,线程会挂起,线程处于wait状态,不会被内核调度。
d) 由于3的特点,进入等待状态或从等待状态被唤醒,都涉及到CPU的上下文切换,而CPU切换是比较耗时的,一般需要25us。相对而言spinlock则没有这样的代价,效率更高。
e) 也由于3的特点,spinlock会空转,导致浪费大量的CPU时间片,若用户持有锁时间长,导致空转时间长,也得不偿失。因此spinlock比较适合于“快拿快放”的使用场景。
3.读写锁
1) 概念
spinlock和互斥量都是保证同一时刻只有一个线程操作共享内存。互斥锁要么是加锁状态,要么是不加锁状态,一次只有一个线程可以对其加锁。读写所可以有3种状态,读模式下加锁状态,写模式下加锁状态,不加锁状态。相对于前两者,读写锁有更高的并发度,允许多个线程同时读共享内存。
2) 相关函数
pthread_rwlock_rdlock(pthread_rwlock_t*); 读锁定
pthread_rwlock_tryrdlock(pthread_rwlock_t*); 非阻塞读锁定
pthread_rwlock_wrlock(pthread_rwlock_t*); 写锁定
pthread_rwlock_trywrlock(pthread_rwlock_t*); 非阻塞写锁定
pthread_rwlock_unlock(pthread_rwlock_t*); 释放锁
4. 条件变量
1) 概念
条件变量是另外一种同步机制,通过与互斥锁配合使用,利用锁保护条件变量,通过条件变量实现唤醒和等待的机制。通过这种方式,允许线程以无竞争的方式等待特定的条件发生
2) 相关函数
int pthread_cond_signal(pthread_cond_t *cond); //唤醒等待条件某个线程
int pthread_cond_broadcast(pthread_cond_t *cond); //唤醒等待条件所有线程
int pthread_cond_wait(pthread_cond_t *cond, pthread_mutex_t *mutex); //等待条件发生。
3) 说明