1.背景知识
1.1 原子变量和原子操作
原子变量和原子操作是多线程编程中的重要概念,用于保证多线程环境下的数据同步和互斥。原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作,一旦开始就会一直运行到结束,中间不会切换到其他进程。原子变量是原子操作的基本单位。
C11标准引入了原子类型和原子操作,用于在多线程环境下保证数据的同步和一致性。
常见原子变量类型:
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常见原子操作:
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1.2 futex系统调用
futex是Linux内核提供的一种系统调用,用于实现用户空间线程之间的同步和互斥。它是fast userspace mutex的缩写,意为快速用户空间互斥锁。futex的主要作用是在用户空间实现锁和条件变量,避免了用户空间和内核空间之间的频繁切换,从而提高了多线程程序的性能。
futex系统调用的基本用法是:
一个线程在需要锁或等待条件变量时,调用futex系统调用,将自己挂起。
另一个线程在释放锁或改变条件变量时,调用futex系统调用,唤醒等待的线程。
1.2.1 futex函数原型
int futex(int *uaddr, int futex_op, int val, const struct timespec *timeout, int *uaddr2, int val3);
功能:futex函数是Linux内核提供的一种轻量级的锁机制,它可以用于用户空间进程间的同步。
参数:
uaddr:指向等待的变量的指针。
futex_op:表示要执行的操作,可以是以下值之一:
- FUTEX_WAIT:等待变量的值变为指定值。
- FUTEX_WAKE:唤醒等待变量的线程。
val:与操作相关的值。
timeout:超时时间。
uaddr2:第二个等待变量的指针。
val3:与第二个等待变量相关的值。
1.2.2 futex实现原理
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通过futex系统调用执行FUTEX_WAIT命令,可以将线程挂起,futex传入的uaddr参数会通过hash函数转换成hash值,通过hash值能索引到futex_hash_bucket,此时会创建futex_q节点,futex_q节点会存储哈希key,线程相关信息,futex_q节点会插入chain链表。
通过futex系统调用执行FUTEX_WAKE命令可唤醒挂起线程,futex系统调用通过uaddr参数找到对应的futex_q节点,然后唤醒futex_q节点指向的挂起线程。
2.线程为什么需要同步?
Linux线程是在Linux操作系统中实现的一种轻量级进程,也称为轻量级进程或者LWP。同一线程组的线程共享主线程(进程)的地址空间、文件描述符、信号处理等资源。
在Linux中,CPU的调度是以线程为单位进行调度的,因此线程的调度也是以线程为单位进行调度的。
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由于线程之间共享地址空间,文件描述,信号相关资源,所以线程之间必然会存在同时访问同一资源的问题,如果不进行线程同步,就会导致数据的不一致性和安全性问题。同步可以保证在同一时刻只有一个线程访问共享资源,从而避免了数据的冲突和错误。
3. 互斥锁实现原理
互斥锁的实现视基于原子操作和futex系统调用实现。
3.1 互斥锁常见操作
- 创建互斥锁
pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
- 加锁
pthread_mutex_lock(&mutex);
- 解锁
pthread_mutex_unlock(&mutex);
- 尝试加锁
pthread_mutex_trylock(&mutex);
- 销毁互斥锁
pthread_mutex_destroy(&mutex);
3.2 互斥锁实现原理
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互斥锁本质是一个原子变量,原子变量同样是一个共享变量,不同的线程都能访问,只不过原子变量采用的是原子操作,互斥锁的操作不可被中断。
1)互斥锁初始化
将原子变量设置成0,原子变量不同的值代表锁不同的状态:
- 原子变量等于0:互斥锁空闲,未加锁。
- 原子变量等于1:互斥锁加锁成功。
- 原子变量等于2:互斥锁加锁失败,线程通过futex(FUTEX_WAIT)系统调用被挂起。
2)互斥锁加锁
- 通过atomic_compare_exchange_strong(value, 0, 1)原子操作,判断当前互斥锁是否已经被加锁,如果原子变量等于0,说明互斥锁空闲,此时可以对互斥锁进行加锁操作,将原子变量设置为1,返回true。
- 如果原子变量不等于0,则说明互斥锁已经加锁,此时互斥锁加锁线程需要通过futex(FUTEX_WAIT)系统调用将线程挂起,挂起之前需要通过atomic_exchange(value, 2)设置原子变量的值为2,并返回旧原子变量值,通过旧原子变量值可以判断原子变量是否被其他线程操作。
3)互斥锁解锁
- 线程通过atomic_exchange(value, 0)原子操作,将原子变量的值设置成0,返回旧原子变量值。
- 如果旧原子变量的值等于2,说明有一个线程被挂起,此时需要通过futex(FUTEX_WAKE)系统调用唤醒挂起线程,解锁成功。
- 如果旧原子变量小于等于1,则直接解锁成功。
总结:
互斥锁虽然有很多优点,能够很方便的进行线程同步,但是互斥锁是通过futex系统调用实现,采用系统调用必然存在用户态和内核态的切换问题,如果这种切换很频繁的话,必然会影响系统性能和降低系统效率,后续我们将继续探索更为高效的线程同步方式。