操作系统中的锁

操作系统内的同步系统，都是使用原子操作实现的。原子操作又是如何实现的呢？

一般的操作系统书都是写使用二值信号量实现的。即用二值信号量挡在原子操作的开始和结束，以保护原子操作不被打断。这个是重要的理论依据，但并不能指导实践。因为，二值信号量其实就是对一个标志位置位，当然，在置位前必须测试一下二值信号量。整个信号量的获取过程可以用伪代码描述如下：

 

1. 如果 信号量S 没有被置位 那么 置位信号量S，信号量获取成功；

2. 否则，测试次数或时间到了没有，如果没有到则跳转到步骤一继续测试；

如果时间或者测试次数到达，则退出信号量置位。信号量获取失败。

 

大家仔细看这个过程，如果S是一个变量的话，需要用if语句判断一下S，然后再对S置位。不论怎么说，这个过程都不可能用CPU的一条指令完成，需要很多指令组成，这也就是说，这个二值信号量的获取过程有可能被打断。但理论上说整个执行过程应该是原子的，即不能被分割。我们来分析一下，都是什么可以打断这个原子过程。我们猜测可以打断一个原子过程的是：

1.中断

2.其他线程

 

让我们来分析一下：

1.中断是肯定可以打断这个过程的，如果没有关闭中断的话，正在置位的时候，就有可能被中断。如果中断里面有对这个信号量或标志位有操作的话，那么可以断定，这个原子操作不原子了。那岂不是起不到二值信号量的作用了？是啊，获取信号量的时候应该把中断关了，这个排除这个干扰因素。

 

2.我们再来看看其他的线程，这个问题就相对中断来讲，理解起来比较困难。这至少分为三种情况，一种是CMP/SMP的情况；一种是单CPU的情况；最后是ASMP的情况。

 

我们先来看看单CPU的情况，操作系统运行在CPU上，所有的线程都运行在该CPU上；只有一个CPU，那么CPU的时间资源是轮流分给每个线程的。当一个线程需要获取一个信号量时，如果别的线程也获取该信号量，我们想一想，这种情况是不存在的。因为只有一个CPU，同一时间只能运行一个线程。必然是串行运行。但是存在这种情况，当第一个线程正在获取信号量时，发生了线程切换，切换到一个也获取该信号量的线程。那么这个过程就变成不是原子的。那么这个禁用线程切换就好了。各位看官不用着急下这个结论。我们需要考虑一个问题，什么情况下才能发生线程切换，其实对于单CPU的系统，无外乎两大类的情况：一种是线程自己放弃执行，把CPU的执行权让给别的线程；另外一种是被强迫放弃CPU的执行权。线程正在执行一个原子操作(获取信号量)，怎么可能主动放弃CPU的执行权呢?这是不可能的。外界强迫线程放弃CPU的执行权倒是有可能：

 

1.这个线程的时间片用完了，必须切换走；

2.中断退出时，释放了一个更高优先级的线程，直接调度到其他线程了，没有回到本线程。

 

实际上这两种情况都是一样的，操作系统的时间片是靠中断计时的。而其他中断有可能释放更高优先级别的任务。分析来分析去，原来发生线程切换，也是CPU的中断引起的，那么，对于这种情况关中断就好了。

 

我们再看看CMP/SMP的情况，CMP和SMP的情况比较复杂，首先全部的CPU上只运行了一个操作系统，否则不能视为CMP/SMP。假设有两个CPU的系统，A CPU运行A线程，而B CPU运行B线程，两个同时获取一个信号量。这时候关中断肯定是不奏效的。因为A线程只能关闭A CPU的中断，就算CMP上A 线程可以关闭A、B CPU的中断，但并不能阻止B CPU对B线程的执行。更不能阻止B线程与A 线程竞争信号量。那怎么办？办法总比问题多：

这里就采用了一个很简单的方法，利用一条CPU的指令完成测试和置位。一条CPU指令，要么是执行，要么是不执行，所以必定是原子的。什么样的指令才是原子的呢？其实不同CPU架构下有不同的指令，这里就介绍一个绝大部分CPU下都有的一条指令，内存与寄存器交换指令 XCHG。分析如下伪代码：

 

flag = false

reallocate:

XCHG S, flag

if (flag == true)

    获取到信号量

else

    没有获取的信号量

    goto  reallocate

end if

 

想象一下，s的初始值为true，如果两个线程先后执行了XCHG指令，第一个线程将ture与S值交换，并将s置为false，获取到信号量；另外一个任务用false只能换到false，所以它不能获取到信号量。从而实现了锁。如果多个CPU同时执行交换指令，一般来说，内存控制器会进行仲裁，只有一个CPU能成功交换，其它都不能成功交换。

这个锁在Linux下称为自旋锁。自旋的意思是，这段代码是忙等的，即CPU的时间不能让给其他线程执行。有些童鞋可能想了，这多浪费，应该让给其他线程运行， ：） 其实这个问题也比较复杂，因为操作系统切换线程是需要时间的，如果自旋锁浪费的CPU时间比两次线程切换出去，切换回来的时间还短，那么，应该选择自旋锁。不应该将CPU时间让出去，否则那是更奢侈的浪费!!!看来，SMP/CMP的情况下，锁的实现方式就有了变化，必须使用一条CPU的指令完成，一般实现的都是忙等。

 

最后，我们来看看ASMP的情况，ASMP的话实际上有几个CPU就跑着几个相同的操作系统，操作系统之间通过多口RAM或着其他的通讯方式通讯。如CMP/SMP一样，A CPU关了中断并不能影响B CPU的中断。能不能通过一条指令完成原子操作呢？也是不行的，因为CPU的型号不一样，同一条指令的运行时间也不一样。想象一下，一个慢速的CPU测试成功了锁，当他写入的时候，时间较长，在其没写入成功时，另外一个CPU就成功交换了。显然也不能实现这样的原子操作。最重要的，如果整个ASMP系统中根本就没有用多口RAM实现通信，那么也就无法实现XCHG指令，更不要谈能不能交换成功了。所以这个方法从通用的角度来讲，不现实。一个比较好的办法是，采用C/S的思路，整个ASMP系统有一个主CPU，如果其他CPU要获取全局锁，利用通信到主CPU上去仲裁，主CPU去判断了。这样，就转化为一个CPU上多个线程竞争信号量的问题了。

稍作总结：

单CPU实现锁是采用关闭中断的方式；

CMP/SMP实现全局锁采用自旋锁+关闭中断的方式；如果只和本CPU同步，那么就关中断好了；如果只和其他CPU同步，采用自旋锁就可以了；

ASMP下实现全局锁只需要关闭中断即可。