关于Linux同步机制知识点整理

在Linux系统中，同步机制是操作系统中非常重要的一部分，以下是一些基本要点：

互斥锁

互斥锁是一种「独占锁」，比如当线程 A 加锁成功后，此时互斥锁已经被线程 A 独占了，只要线程 A 没有释放手中的锁，线程 B 加锁就会失败，失败的线程B于是就会释放 CPU 让给其他线程，既然线程 B 释放掉了 CPU，自然线程 B 加锁的代码就会被阻塞。

对于互斥锁加锁失败而阻塞的现象，是由操作系统内核实现的。当加锁失败时，内核会将线程置为「睡眠」状态，等到锁被释放后，内核会在合适的时机唤醒线程，当这个线程成功获取到锁后，于是就可以继续执行。如下图:

互斥锁加锁失败，就会从用户态陷入内核态，内核帮我们切换线程，这简化了互斥锁使用的难度，但也存在性能开销。

那这个开销成本是什么呢？会有两次线程上下文切换的成本：

当线程加锁失败时，内核会把线程的状态从「运行」状态设置为「睡眠」状态，然后把 CPU 切换给其他线程运行；
接着，当锁被释放时，之前「睡眠」状态的线程会变为「就绪」状态，然后内核会在合适的时间，把 CPU 切换给该线程运行。

线程的上下文切换的是什么？当两个线程是属于同一个进程，因为虚拟内存是共享的，所以在切换时，虚拟内存这些资源就保持不动，只需要切换线程的私有数据、寄存器等不共享的数据。

上下文切换需要几十纳秒到几微秒之间，如果锁住的代码执行时间极短（常见情况），那花在两次上下文切换的时间就会远多于锁住代码的执行时长。而且，线程的私有数据已经在CPU的cache上都预热好了，这一出一进，数据可能就凉透了，之后反复的cache miss那可就真的酸爽。所以，锁住的代码执行只需要几纳秒的话，为啥不持有CPU继续自旋等待呢？

自旋锁

自旋锁是最比较简单的一种锁，一直自旋，利用 CPU 周期，直到锁可用。需要注意，在单核 CPU 上，需要抢占式的调度器（即通过时钟中断一个线程，运行其他线程）。否则，自旋锁在单 CPU 上无法使用，因为一个自旋的线程永远不会放弃 CPU。

自旋锁开销少，在多核系统下一般不会主动产生线程切换，适合异步、协程等在用户态切换请求的编程方式，但如果被锁住的代码执行时间过长，自旋的线程会长时间占用 CPU 资源，所以自旋的时间和被锁住的代码执行的时间是成「正比」的关系，我们需要清楚的知道这一点。

自旋锁与互斥锁使用层面比较相似，但实现层面上完全不同：当加锁失败时，互斥锁用「线程切换」来应对，自旋锁则用「忙等待」来应对。这里的忙等待，可以用「while」循环实现，但最好不要这么干！！CPU提供了「PAUSE」指令来实现忙等待。

总结

互斥锁和自旋锁没有优略之分，工程中使用哪种锁，主要还是看使用场景（洗地操作）。

一般情况使用互斥锁。如果我们明确知道被锁住的代码的执行时间很短（这样的场景最普遍，就算不普遍也要改代码让这种场景普遍），那我们应该选择开销比较小的自旋锁，因为自旋锁加锁失败时，并不会主动产生线程切换，而是一直忙等待，直到获取到锁，那么如果被锁住的代码执行时间很短，那这个忙等待的时间相对应也很短。

不管使用的哪种锁，我们的加锁的代码范围应该尽可能的小，也就是加锁的粒度要小，这样执行速度会比较快。

什么是同步机制？同步机制是一种操作系统提供的机制，用于协调多个进程或线程之间的访问共享资源，防止出现竞态条件和死锁等问题。
Linux中常用的同步机制有哪些？Linux中常用的同步机制包括互斥锁、读写锁、自旋锁、信号量、条件变量等。
读写锁和互斥锁的区别是什么？互斥锁加锁失败后，线程释放CPU，给其他线程；自旋锁加锁失败后，线程会忙等待，直到它拿到锁；读写锁和互斥锁都是用于保护共享资源的机制，但是它们的实现方式和使用场景不同。互斥锁通常用于保护临界区，在临界区中只允许一个进程或线程操作共享资源；读写锁用于保护读写共享资源，允许多个进程或线程同时读取共享资源，但是只允许一个进程或线程写入共享资源。
读写锁和互斥锁的使用场景：当被锁的代码消耗时间很小时推荐使用自旋锁，防止线程切换，因为线程切换时间会长一点。当被锁的代码消耗时间比较长时，推荐使用互斥锁。
信号量和条件变量的区别是什么？信号量和条件变量都是用于同步进程或线程的机制，但是它们的实现方式和使用场景不同。信号量通常用于限制共享资源的访问数量，多个进程或线程可以同时访问共享资源，但是访问数量受到信号量的限制；条件变量用于线程间的通信，允许线程在特定条件下等待和唤醒。
什么是死锁？死锁是指两个或多个进程或线程互相等待对方持有的资源，从而导致进程或线程无法继续执行的一种情况。死锁是多线程编程中常见的问题，需要通过合理的同步机制和设计来避免。
Linux中如何防止死锁？Linux中提供了多种机制来防止死锁，包括资源的有序分配、避免持有多个锁、使用超时机制等。在编写多线程程序时，应该尽可能地避免使用复杂的锁嵌套，合理地设计同步机制，避免出现死锁。
什么是内核抢占？内核抢占是指内核在某些情况下可以抢占正在运行的进程或线程，以保证内核的响应能力和稳定性。内核抢占通常发生在中断处理程序中，当中断处理程序需要执行一些紧急的操作时，可以抢占正在运行的进程或线程，以保证中断处理程序的及时响应。
Linux中如何实现内核抢占？Linux中提供了可抢占内核和完全抢占内核两种模式来实现内核抢占。可抢占内核是指在内核代码中插入一些抢占点，以允许内核在某些情况下抢占正在运行的进程或线程；完全抢占内核是指内核中所有的临界区都支持抢占，可以在任何时候抢占正在运行的进程或线程。可抢占内核和完全抢占内核都可以提高内核的响应能力和稳定性，但是完全抢占内核的开销更大一些。
什么是原子操作？原子操作是一种不可分割的操作，要么全部执行成功，要么全部执行失败，不会出现部分执行成功的情况。在多线程编程中，原子操作可以保证数据的一致性和线程安全性。Linux中提供了多种原子操作函数，如atomic_t、atomic_read、atomic_set等，可以用于实现同步机制和保证数据的一致性。
Linux中如何实现进程间通信？Linux中提供了多种进程间通信的机制，包括管道、消息队列、共享内存、信号量、套接字等。这些机制可以用于不同进程之间的通信和数据交换。
什么是线程？线程是进程中的一个执行单元，可以与其他线程共享进程的资源。线程的使用可以提高程序的并发性和响应能力，但是需要注意线程安全性和同步机制的设计。
Linux中如何实现线程？Linux中提供了多种线程的实现方式，包括用户级线程和内核级线程。用户级线程是指由用户空间的线程库实现的线程，可以提高程序的并发性和响应能力；内核级线程是指由内核实现的线程，可以充分利用多核处理器的性能优势。Linux中使用pthread库来实现线程，可以使用pthread_create、pthread_join、pthread_mutex_lock等函数来创建、等待和同步线程的执行。
什么是多线程编程中的竞态条件？竞态条件是指多个线程同时访问共享资源，从而导致数据的不可预测性和不一致性的一种情况。在多线程编程中，需要通过同步机制来避免竞态条件的出现。
什么是线程安全性？线程安全性是指在多线程环境下，程序能够正确地处理共享资源，不会出现数据的不一致性和竞态条件等问题。在多线程编程中，需要考虑线程安全性，使用合适的同步机制和设计，来保证程序的正确性和可靠性。