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互斥锁的原理及作用

操作系统设计人员构建软件工具,以解决临界区问题,最简单的工具就是互斥锁(mutex lock)。我们采用互斥锁保护临界区,从而防止竞争条件。

也就是说,一个进程在进入临界区时应得到锁;它在退出临界区时释放锁。函数 acquire() 获取锁,而函数 release() 释放锁,见图 1 。


图 1 采用互斥锁的临界区问题的解答

每个互斥锁有一个布尔变量 available,它的值表示锁是否可用。如果锁是可用的,那么调用 acquire() 会成功,并且锁不再可用。当一个进程试图获取不可用的锁时,它会阻塞,直到锁被释放。

按如下定义 acquire():

acquire() {
    while (!available)
    ;/* busy wait */
    available = false;;
}


按如下定义release():

release() {
    available = true;
}

这里所给实现的主要缺点是,它需要忙等待(busy waiting)。当有一个进程在临界区中,任何其他进程在进入临界区时必须连续循环地调用 acquire()。其实,这种类型的互斥锁也被称为自旋锁,因为进程不停地旋转,以等待锁变得可用。在实际多道程序系统中,即当多个进程共享同一 CPU 时,这种连续循环显然是个问题。忙等待浪费 CPU 周期,而这原本可以有效用于其他进程。

不过,自旋锁确实有一个优点,当进程在等待锁时,没有上下文切换(上下文切换可能需要相当长的时间)。因此,当使用锁的时间较短时,自旋锁还是有用的。自旋锁通常用于多处理器系统,一个线程可以在一个处理器上“旋转”,而其他线程在其他处理器上执行临界区。

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