同步互斥机制及自旋锁、互斥体

Zahirah ·

更新时间:2024-09-21

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一、同步互斥机制

应用场景：多线程的时候。当多个执行单元同时被执行，处理的是同一个资源时，就会导致竞态，这个时候就需要用同步或者互斥的方法来解决竞态。
线程和进程的区别：进程是拥有资源的最小单位，线程是参与调度的最小单位。
执行单元：进程、线程、SMP(对称多处理器)
资源：软件资源或者是硬件资源
并发：多个执行单元同时被执行。
竞态：多个执行单元同时被执行，处理的是同一个资源，就会导致竞态。
临界区：对资源进程操作的代码区
临界资源：可能会被多个执行单元同时访问并操作的资源

导致竞态原因：

 1.多进程同时访问操作临界资源(进程和抢占它的进程之间会导致竞态)
 2.进程和中断
 3.对称多处理器

解决竞态的方法：

 同步：强调的是顺序性
 互斥：强调的是排他性

具体的解决方法：

 1.屏蔽中断
 2.自旋锁
 3.原子操作
 4.互斥体(互斥锁)
 5.信号量

二、自旋锁

头文件：linux/spinlock.h
自旋锁数据类型：spinlock_t

锁机制，完成互斥操作，和互斥锁类似

上自旋锁；
临界区；
解自旋锁；

自旋锁上锁后，会屏蔽掉进程抢占，如果进程1在临界区出现进程调度的相关函数（例如：sleep),就相当于放弃了CPU的执行权。这时，操作系统就会去调度其他进程（进程2），进程2在执行的时候需要进行上锁，但是进程1还没有释放锁，进程2就获取不到锁，会进入自旋状态，导致CPU会被100%占用。如果CPU是单核的，sleep函数结束后，进程1由于进程2（进入自旋状态）把CPU资源全部占用，解锁永远不会执行，就会导致死锁。

注意：尤其是在单核CPU的情况下，不能够在自旋锁保护的临界区出现关于进程调度相关函数。

相关函数：
需要定义一个flag标志位，用来判断是否为第一次打开

spin_lock_init(spinlock_t *lock)
功能：初始化自旋锁
参数：
    @lock      自旋锁结构体指针   
void spin_lock(spinlock_t *lock)
功能：自旋锁上锁
参数：
    @lock    自旋锁结构体指针 
int spin_trylock(spinlock_t *lock)
功能：自旋锁上锁
参数：
    @lock    自旋锁结构体指针 
特点：如果上锁失败，错误返回
void spin_unlock(spinlock_t *lock)
功能：自旋锁解锁
参数：
    @lock    自旋锁结构体指针

自旋锁的初始化：
在这里插入图片描述
自旋锁的上锁与解锁:

标志位的定义及加减操作函数：

运行结果：

三、互斥体

头文件：
数据类型： struct mutex

互斥体上锁
临界区
互斥体解锁

相关函数：

mutex_init(struct mutex *mutex)
    功能：初始化互斥体
    参数：
        @mutex  互斥体结构体指针
void  mutex_lock(struct mutex *lock)		
	功能：互斥体上锁
	参数：
		@lock   互斥体结构体指针  
	特点：互斥体上锁失败，会导致应用层进程休眠
void  mutex_unlock(struct mutex *lock)		
	功能：互斥体解锁
	参数：
		@lock   互斥体结构体指针

互斥体的上锁和解锁：
在这里插入图片描述
运行结果：