同步机制

同步机制——互斥体锁、读/写锁、信号量锁、条件变量

 

（区别于linux内核所用的自旋锁和互斥锁，本文中讨论的锁用于普通编程）

当两个或多个并发线程的执行次序造成了意想不到的错误结果时，“竞态条件”就是会产生。防止“竞态条件”的一个方法是使用同步机制，对访问“共享资源”的代码中关键段实施“品行访问”控制。常用的OS同步机制有：互斥体(mutex)、“多读取者/单写入者”锁(reader/writer locks)、信号量(semaphores)和条件变量(condition variable)。

1.互斥体(mutex,Mutual Exclusion)锁
当共享资源被多个线程并发访问时，为了确保这些资源的完整性，我们可以使用互斥体(mutex)锁。互斥体可用来串行执行多个线程，这需要在代码中确定关键 (critical section)——即，一次只能由一个线程执行的代码。“互斥体”语义像双括号那样具有“对称体”：也就是就说，如果一个线程拥有互斥体，那么，它还和负责释放这个互斥体。这种简单的语义有助于互斥体的高效实现——如通过硬件自旋锁(spinlock)来实现。

常见的互斥体有两种：
非递归互斥体(nonrecursive mutex)：如果当前拥有互斥体的线程在没有首先释放它的情况，试图再次获得它，就会导致死锁或失败。
递归互斥体(recursive mutex)：拥有互斥体的线程可能多次获得它而不会产生自死锁，只要这个线程最终以相同次数释放这个互斥体即可。

2.Readers/Writer锁
Readers/Writer(多读取者/单写入者)锁可以通过以下方式之一访问共享资源：
多个线程并发读取资源，但不修改它；
一次只一个线程修改资源，此时其它线程都不能对其进行读/写访问。

Readers/Writer锁可以用来保护“读操作比写操作频繁”的资源，从而提高并发应用程序的性能。在实现Readers/Writer锁时，要么给“读取者”以优先权，要么给“写入者”以优先权。

Readers/Writer 锁和互斥体有某些共性，例如：获得锁的线程也必须释放这个锁，如查一个“写入者”希望获得这个锁，那么，这个线程必须等待其它所有“拥有这个锁”的线程释放它；然后，这个“写入者”线程单独占有这个锁。便但和互斥体不同的是，多个线程可以同时获得一个Readers/Writer锁执行“读”操作。

3.信号量锁
从概念上说，信号量(semaphore)是可以原子(automically)递增和背叛的非负整数。如果一个线程试图递减一个信号量，但这个信号量的值已经为0，则线程将会阻塞。另一个线程“发出(post)”这个信号(semaphore)，使用信号量大于0之后，被阻塞的线程才会被释放。

信号量维护状态信息，对信号计数值(count)和被阻塞线程的数量进行记录。它们一般是通过“休止锁(sleep lock)”来实现的；休止锁用来触发环境切换，以允许其他线程执行。和互斥体不同的是，释放信号量的线程不必是最初获得这个信号量的线程。这使得信号量适用于更广泛的执行环境，如信号处理程序或中断处理程序。

4.条件变量
和互斥体、Readers/Writer锁、信号量锁不同，条件变量(condtion variable)提供了不同风格的同步方式。在前三种机制中，当“占有锁的线程”在关键段中执行代码时，其他线程会等待。下此相反，使用条件变量，线程可以调整和调度自己的处理过程。

例如，某一数据被其他线程共享；条件变量可能使用处于等待状态，直至“涉及这个数据”的一个条件表达式达到某一状态。当一个“合作线程(cooperation thread)”显示共享数据的状态已经改变时，阻塞在条件上的线程会被唤醒；然后，被唤醒的线程重新计算它的条件表达式，如果共享数据达到预期状态，则恢复处理。再复杂的条件表达式也可以通过条件变量来等待；所以，较之前面所说的同步机制，条件变量允许更复杂的调度决策。