自旋鎖和互斥鎖區別 --- 經典

POSIX threads(簡稱Pthreads)是在多核平臺上進行並行程式設計的一套常用的API。執行緒同步(Thread Synchronization)是並行程式設計中非常重要的通訊手段，其中最典型的應用就是用Pthreads提供的鎖機制(lock)來對多個執行緒之間共 享的臨界區(Critical Section)進行保護(另一種常用的同步機制是barrier)。

Pthreads提供了多種鎖機制：

1. Mutex（互斥量）：pthread_mutex_***
2. Spin lock（自旋鎖）：pthread_spin_***
3. Condition Variable（條件變數）：pthread_con_***
4. Read/Write lock（讀寫鎖）：pthread_rwlock_***

Pthreads提供的Mutex鎖操作相關的API主要有：

1. pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *mutex);
2. pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *mutex);
3. pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *mutex);

Pthreads提供的與Spin Lock鎖操作相關的API主要有：

1. pthread_spin_lock (pthread_spinlock_t *lock);
2. pthread_spin_trylock (pthread_spinlock_t *lock);
3. pthread_spin_unlock (pthread_spinlock_t *lock);

從實現原理上來講，Mutex屬於sleep-waiting型別的鎖。例如在一個雙核的機器上有兩個執行緒(執行緒A和執行緒B)，它們分別執行在Core0和 Core1上。假設執行緒A想要通過pthread_mutex_lock操作去得到一個臨界區的鎖，而此時這個鎖正被執行緒B所持有，那麼執行緒A就會被阻塞 (blocking)，Core0 會在此時進行上下文切換(Context Switch)將執行緒A置於等待佇列中，此時Core0就可以執行其他的任務(例如另一個執行緒C)而不必進行忙等待。而Spin lock則不然，它屬於busy-waiting型別的鎖，如果執行緒A是使用pthread_spin_lock操作去請求鎖，那麼執行緒A就會一直在 Core0上進行忙等待並不停的進行鎖請求，直到得到這個鎖為止。

自旋鎖(Spin lock)

自旋鎖與互斥鎖有點類似，只是自旋鎖不會引起呼叫者睡眠，如果自旋鎖已經被別的執行單元保持，呼叫者就一直迴圈在那裡看是 否該自旋鎖的保持者已經釋放了鎖，”自旋”一詞就是因此而得名。其作用是為了解決某項資源的互斥使用。因為自旋鎖不會引起呼叫者睡眠，所以自旋鎖的效率遠 高於互斥鎖。雖然它的效率比互斥鎖高，但是它也有些不足之處：

1. 自旋鎖一直佔用CPU，他在未獲得鎖的情況下，一直執行－－自旋，所以佔用著CPU，如果不能在很短的時 間內獲得鎖，這無疑會使CPU效率降低。
2. 在用自旋鎖時有可能造成死鎖，當遞迴呼叫時有可能造成死鎖，呼叫有些其他函式也可能造成死鎖，如 copy_to_user()、copy_from_user()、kmalloc()等。

因此我們要慎重使用自旋鎖，自旋鎖只有在核心可搶佔式或SMP的情況下才真正需要，在單CPU且不可搶佔式的核心下，自旋鎖的操作為空操作。自旋鎖適用於鎖使用者保持鎖時間比較短的情況下。

自旋鎖的用法如下：

• 首先定義：spinlock_t x;
• 然後初始化：spin_lock_init(spinlock_t *x);   //自旋鎖在真正使用前必須先初始化
• 在2.6.11核心中將定義和初始化合併為一個巨集：DEFINE_SPINLOCK(x)
• 獲得自旋鎖：spin_lock(x);   //只有在獲得鎖的情況下才返回，否則一直“自旋”spin_trylock(x);  //如立即獲得鎖則返回真，否則立即返回假
• 釋放鎖：spin_unlock(x);

結合以上有以下程式碼段：

還有一些其他用法：

• spin_is_locked(x)

//　　該巨集用於判斷自旋鎖x是否已經被某執行單元保持（即被鎖），如果是，   返回真，否則返回假。

• spin_unlock_wait(x)

//　　該巨集用於等待自旋鎖x變得沒有被任何執行單元保持，如果沒有任何執行單元保持該自旋鎖，該巨集立即返回，否將迴圈    在那裡，直到該自旋鎖被保持者釋放。

• spin_lock_irqsave(lock, flags)

//　　該巨集獲得自旋鎖的同時把標誌暫存器的值儲存到變數flags中並失效本地中斷。相當於：spin_lock()+local_irq_save()

• spin_unlock_irqrestore(lock, flags)

//　　該巨集釋放自旋鎖lock的同時，也恢復標誌暫存器的值為變數flags儲存的//值。它與spin_lock_irqsave配對使用。相當於：spin_unlock()+local_irq_restore()

• spin_lock_irq(lock)

//該巨集類似於spin_lock_irqsave，只是該巨集不儲存標誌暫存器的值。相當於：spin_lock()+local_irq_disable()

• spin_unlock_irq(lock)

//該巨集釋放自旋鎖lock的同時，也使能本地中斷。它與spin_lock_irq配對應用。相當於: spin_unlock()+local_irq+enable()

• spin_lock_bh(lock)

//　　該巨集在得到自旋鎖的同時失效本地軟中斷。相當於：spin_lock()+local_bh_disable()

• spin_unlock_bh(lock)

//該巨集釋放自旋鎖lock的同時，也使能本地的軟中斷。它與spin_lock_bh配對使用。相當於：spin_unlock()+local_bh_enable()

• spin_trylock_irqsave(lock, flags)

//該巨集如果獲得自旋鎖lock，它也將儲存標誌暫存器的值到變數flags中，並且失效本地中斷，如果沒有獲得鎖，它什麼也不做。因此如果能夠立即 獲得鎖，它等同於spin_lock_irqsave，如果不能獲得鎖，它等同於spin_trylock。如果該巨集獲得自旋鎖lock，那需要 使用spin_unlock_irqrestore來釋放。

• spin_trylock_irq(lock)

//該巨集類似於spin_trylock_irqsave，只是該巨集不儲存標誌暫存器。如果該巨集獲得自旋鎖lock，需要使用spin_unlock_irq來釋放。

• spin_trylock_bh(lock)

//　　該巨集如果獲得了自旋鎖，它也將失效本地軟中斷。如果得不到鎖，它什麼也不做。因此，如果得到了鎖，它等同於spin_lock_bh，如果得 不到鎖，它等同於spin_trylock。如果該巨集得到了自旋鎖，需要使用spin_unlock_bh來釋放。

• spin_can_lock(lock)

//　　該巨集用於判斷自旋鎖lock是否能夠被鎖，它實際是spin_is_locked取反。如果lock沒有被鎖，它返回真，否則，返回 假。該巨集在2.6.11中第一次被定義，在先前的核心中並沒有該巨集。

自旋鎖的獲得和釋放有多種方法，要根據場合選擇，可以去http://soft.yesky.com/os/lin/10/2303010_4.shtml看看，介紹了很多關於自旋鎖的使用知識。本文引用了很多上面的知識。