Linux：各种锁

tongyi007

　　其实在操作系统中，都存在着多进程与多线程来优化处理整个操作系统的逻辑，不仅仅在操作系统，我们所编写的程序中都一样存在着各种地方使用多进程多线程，虽然多进程多线程看着很好很强大，但是总存在着非原子性情况下的执行顺序确定操作。

　　    所以就出现了信号量，条件变量，互斥锁等各种确保多线程/进程的执行顺序。

　　信号量的可以查看：
　　    Linux进程间通信：信号量

　　    Linux：生产者与消费者模式

　　      
互斥体（互斥锁）
      互斥体实现了“互相排斥”（mutual exclusion）同步的简单形式（所以名为互斥体(mutex)）。互斥体禁止多个线程同时进入受保护的代码“临界区”（critical section）。因此，在任意时刻，只有一个线程被允许进入这样的代码保护区。
　　任何线程在进入临界区之前，必须获取（acquire）与此区域相关联的互斥体的所有权。如果已有另一线程拥有了临界区的互斥体，其他线程就不能再进入其中。这些线程必须等待，直到当前的属主线程释放（release）该互斥体。
　　什么时候需要使用互斥体呢？互斥体用于保护共享的易变代码，也就是，全局或静态数据。这样的数据必须通过互斥体进行保护，以防止它们在多个线程同时访问时损坏。
以上转自：http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/21/2602015.html
　　   关于线程的相关使用：Linux之线程：同步与互斥

三、自旋锁
自旋锁它是为为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个保持者，也就说，在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁，如果资源已经被占用，资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠，如果自旋锁已经被别的执行单元保持，调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁，"自旋"一词就是因此而得名。


自旋锁一般原理
跟互斥锁一样，一个执行单元要想访问被自旋锁保护的共享资源，必须先得到锁，在访问完共享资源后，必须释放锁。如果在获取自旋锁时，没有任何执行单元保持该锁，那么将立即得到锁；如果在获取自旋锁时锁已经有保持者，那么获取锁操作将自旋在那里，直到该自旋锁的保持者释放了锁。由此我们可以看出，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式，这种锁可能存在两个问题：死锁和过多占用cpu资源。


自旋锁适用情况
自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。正是由于自旋锁使用者一般保持锁时间非常短，因此选择自旋而不是睡眠是非常必要的，自旋锁的效率远高于互斥锁。信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因此只能在进程上下文使用，而自旋锁适合于保持时间非常短的情况，它可以在任何上下文使用。如果被保护的共享资源只在进程上下文访问，使用信号量保护该共享资源非常合适，如果对共享资源的访问时间非常短，自旋锁也可以。但是如果被保护的共享资源需要在中断上下文访问（包括底半部即中断处理句柄和顶半部即软中断），就必须使用自旋锁。自旋锁保持期间是抢占失效的，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的。自旋锁只有在内核可抢占或SMP（多处理器）的情况下才真正需要，在单CPU且不可抢占的内核下，自旋锁的所有操作都是空操作。另外格外注意一点：自旋锁不能递归使用。



关于自旋锁的定义以及相应的API
自旋锁定义:  linux/Spinlock.h
typedef struct spinlock {
          union { //联合
             struct raw_spinlock rlock;
#ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
# define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))             struct{
                     u8 __padding[LOCK_PADSIZE];                     struct lockdep_map dep_map;
             };#endif
         };
} spinlock_t; 定义和初始化
spinlock_t my_lock = SPIN_LOCK_UNLOCKED;
spin_lock_init(spinlock_t *);
自旋锁操作：
//加锁一个自旋锁函数
void spin_lock(spinlock_t *lock);                                   //获取指定的自旋锁void
spin_lock_irq(spinlock_t *lock);                               //禁止本地中断获取指定的锁
void spin_lock_irqsave(spinlock_t *lock, unsigned long flags);      //保存本地中断的状态,禁止本地中断,并获取指定的锁
void spin_lock_bh(spinlock_t *lock)                                 //安全地避免死锁, 而仍然允许硬件中断被服务
//释放一个自旋锁函数
void spin_unlock(spinlock_t *lock);                                 //释放指定的锁
void spin_unlock_irq(spinlock_t *lock);                             //释放指定的锁,并激活本地中断
void spin_unlock_irqrestore(spinlock_t *lock, unsigned long flags); //释放指定的锁,并让本地中断恢复到以前的状态
void spin_unlock_bh(spinlock_t *lock);                              //对应于spin_lock_bh
//非阻塞锁
int spin_trylock(spinlock_t *lock);                  //试图获得某个特定的自旋锁,如果该锁已经被争用,该方法会立刻返回一个非0值,
                                                     //而不会自旋等待锁被释放,如果成果获得了这个锁,那么就返回0.
int spin_trylock_bh(spinlock_t *lock);             //这些函数成功时返回非零( 获得了锁 ), 否则 0. 没有"try"版本来禁止中断.
//其他
int spin_is_locked(spinlock_t *lock);               //和try_lock()差不多四、信号量、互斥体和自旋锁的区别

信号量/互斥体和自旋锁的区别
信号量/互斥体允许进程睡眠属于睡眠锁，自旋锁则不允许调用者睡眠，而是让其循环等待，所以有以下区别应用
    1）、信号量和读写信号量适合于保持时间较长的情况，它们会导致调用者睡眠，因而自旋锁适合于保持时间非常短的情况
    2）、自旋锁可以用于中断，不能用于进程上下文(会引起死锁)。而信号量不允许使用在中断中，而可以用于进程上下文
    3）、自旋锁保持期间是抢占失效的，自旋锁被持有时，内核不能被抢占，而信号量和读写信号量保持期间是可以被抢占的
另外需要注意的是
     1）、信号量锁保护的临界区可包含可能引起阻塞的代码，而自旋锁则绝对要避免用来保护包含这样代码的临界区，因为阻塞意味着要进行进程的切换，如果进程被切换出去后，另一进程企图获取本自旋锁，死锁就会发生。
     2）、在你占用信号量的同时不能占用自旋锁，因为在你等待信号量时可能会睡眠，而在持有自旋锁时是不允许睡眠的。

信号量和互斥体之间的区别

概念上的区别：     
      信号量：是进程间（线程间）同步用的，一个进程（线程）完成了某一个动作就通过信号量告诉别的进程（线程），别的进程（线程）再进行某些动作。有二值和多值信号量之分。
     互斥锁：是线程间互斥用的，一个线程占用了某一个共享资源，那么别的线程就无法访问，直到这个线程离开，其他的线程才开始可以使用这个共享资源。可以把互斥锁看成二值信号量。  

上锁时：
     信号量: 只要信号量的value大于0，其他线程就可以sem_wait成功，成功后信号量的value减一。若value值不大于0，则sem_wait阻塞，直到sem_post释放后value值加一。一句话，信号量的value>=0。
     互斥锁: 只要被锁住，其他任何线程都不可以访问被保护的资源。如果没有锁，获得资源成功，否则进行阻塞等待资源可用。一句话，线程互斥锁的vlaue可以为负数。  

使用场所：
     信号量主要适用于进程间通信，当然，也可用于线程间通信。而互斥锁只能用于线程间通信。
    以上转自：http://www.cnblogs.com/biyeymyhjob/archive/2012/07/21/2602015.html
读写锁：
　　    在编写多线程的时候，有一种情况是十分常见的。那就是，有些公共数据修改的机会比较少。相比较改写，它们读的机会反而高的多。通常而言，在读的过程中，往往伴随着查找的操作，中间耗时很长。给这种代码段加锁，会极大地降低我们程序的效率。那么有没有一种方法，可以专门处理这种多读少写的情况呢？有，那就是读写锁。
　　    读写锁实际是一种特殊的自旋锁，它把对共享资源的访问者划分成读者和写者，读者只对共享资源进行读访问，写者则需要对共享资源进行写操作。这种锁相对于自旋锁而言，能提高并发性，因为在多处理器系统中，它允许同时有多个读者来访问共享资源，最大可能的读者数为实际的逻辑CPU数。写者是排他性的，一个读写锁同时只能有一个写者或多个读者（与CPU数相关），但不能同时既有读者又有写者。
读写锁相关的操作函数：

读写锁操纵：

函数整体线程之前的讲解比较像,所以直接上代码吧：
//阻塞读写锁模式：
#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
int g_val = 0;
pthread_rwlock_t rw_lock;
void* reader(void* arg)
{
//阻塞读写锁。
while(1)
{
pthread_rwlock_rdlock(&rw_lock);
printf("g_val: %d\n",g_val);
pthread_rwlock_unlock(&rw_lock);
}
}
void* writer(void* arg)
{
while(1)
{
sleep(1);
pthread_rwlock_wrlock(&rw_lock);
g_val++;
pthread_rwlock_unlock(&rw_lock);
}
}
int main()
{
pthread_t tid1,tid2;
pthread_rwlock_init(&rw_lock,NULL);
pthread_create(&tid1,NULL,reader,NULL);
pthread_create(&tid2,NULL,writer,NULL);
pthread_rwlock_destroy(&rw_lock);
pthread_join(tid1,NULL);
pthread_join(tid2,NULL);
return 0;
}运行结果：
运行结果就是写者每隔一秒进行一次写，读者一直在读。结果截图太长了，所以就不截图了。


非阻塞模式:

#include<stdio.h>
#include<pthread.h>
int g_val = 0;
pthread_rwlock_t rw_lock;
void* reader(void* arg)
{
pthread_detach(pthread_self());
//非阻塞读写锁。
while(1)
{
if(pthread_rwlock_tryrdlock(&rw_lock)!= 0){
printf("writer is wirting,reader waiting...\n");
}
else{
printf("reader is:%u,g_val: %d\n",pthread_self(),g_val);
pthread_rwlock_unlock(&rw_lock);
}
sleep(2);
}
}
void* writer(void* arg)
{
pthread_detach(pthread_self());
while(1)
{
if(pthread_rwlock_trywrlock(&rw_lock) != 0){
printf("reader is reading,writer waiting\n");
sleep(1);
}
else{
g_val++;
printf("writer is :%u,writer val is :%d\n",pthread_self(),g_val);
pthread_rwlock_unlock(&rw_lock);
}
sleep(1);
}
}
int main()
{
pthread_rwlock_init(&rw_lock,NULL);
pthread_t id;
int i ;
for(i = 0;i<2;++i)
{
pthread_create(&id, NULL,writer,NULL);
}
for(i = 0;i < 3;++i)
{
pthread_create(&id,NULL,reader,NULL);
}
sleep(100);
return 0;
}运行结果：