互斥锁如何在低级别等待解锁？

Question

我想知道互斥锁（或其他锁定实现）如何实现锁定函数的wait functionallity。我的意思是，对于mutex.lock调用进行排队的cpu指令是仅在OS中实现的还是什么？

在我做的测试中，我认为这个等待功能只在OS层完成，并且创建了某种旋转，检查是否可以继续锁定，如果没有让线程进入休眠状态。是吗？

非常感谢。

Answer 1

它取决于平台。通常，如果达到固定的旋转限制，则存在旋转锁定部分，该旋转锁定部分回退到操作系统中的阻塞。

螺旋锁通常通过在互斥锁解锁时读取包含特定值的内存地址来实现。如果它被视为未锁定，则尝试将该值从解锁值原子地更改为锁定值。如果原子交换成功，则互斥锁被锁定。通常会计算旋转次数，如果达到限制，我们会在操作系统中切换到阻止。

OS中的块通常以相同的方式实现，除了不是休眠，线程将其自身添加到等待锁定的事物列表中。当一个线程释放锁时，它会检查操作系统中是否有任何等待，如果是，则解除阻塞。这会导致操作系统安排该线程。它通常会尝试执行与自旋锁相同的原子交换，如果失败则再次在操作系统中阻塞。

在伪代码中：

<强>锁定：

1. 检查内存位置以查看锁定是否已锁定。如果是，请转到步骤3.
2. 尝试将内存位置从解锁状态原子切换为锁定状态。如果我们成功，请停止，我们持有锁。
3. 增加旋转计数。如果我们没有旋转太多次，请转到步骤1.
4. 以原子方式增加等待此锁定的线程数。
5. 尝试将内存位置从解锁状态原子切换为锁定状态。如果我们成功，减少等待线程的数量并停止，我们持有锁。
6. 有条件地阻止操作系统。
7. 转到第5步。

<强>解锁：

1. 以原子方式将保持锁定状态的内存位置设置为已解锁。
2. 如果在OS中等待此锁定的线程数大于零，请告诉操作系统取消阻止等待此锁定的所有线程。

请注意，操作系统必须实现某种机制，以避免在线程设置阻塞之前发生取消阻止在OS中等待的任何线程的请求的竞争。该方法因操作系统而异。例如，Linux有一种称为“futex”的东西，它本质上是一种以原子方式实现锁定伪代码的第4步，第5步和第6步的方法。

警告：如果您尝试在代码中实现此算法，请了解您可能会生成一个与正确实现不同的玩具。您需要深入的，平台特定的知识，以避免令人讨厌的性能吸引陷阱。例如，很容易对自旋锁进行编码，以便从使用超线程共享CPU中的物理内核的另一个线程中窃取核心执行资源。并且很容易编码成功的交换，以便CPU的分支预测预测它会失败，并且当你获得锁定时你会受到可怕的分支错误预测惩罚。

Answer 2

它将here解释为：

  

等待怎么样？

     

现在是棘手的部分。好吧，只是在某种程度上是棘手的，换句话说它很简单。上面的测试和设置机制不支持线程等待值（除了CPU密集的自旋锁）。 CPU并不真正了解高级线程和进程，因此它无法实现等待。操作系统必须提供等待功能。

     

为了让CPU正常等待，调用者需要进行系统调用。它是唯一可以同步各种线程并提供等待功能的东西。因此，如果我们必须等待互斥锁或释放等待的互斥锁，我们别无选择，只能调用操作系统。大多数操作系统都内置了互斥原语。在某些情况下，它们提供了完整的互斥体。因此，如果系统调用确实提供了完整的互斥量，为什么我们会在用户空间中进行任何类型的测试和设置呢？答案是系统调用有很大的开销，应该尽可能避免。

     

此时各种操作系统大相径庭，并且随着时间的推移可能会发生变化。在linux下有一个系统调用futex，它提供类似语义的互斥。它经过专门设计，可以在用户空间中完全解决非争用情况。然后将争用案例委托给操作系统以便以安全的方式处理，尽管成本更高。然后等待作为OS进程调度程序的一部分进行处理。