互斥锁mutex的简单实现

mutex通常用于为一段代码加锁，以保证这段代码的原子性（atomic）操做，即：要么不执行这段代码，要么将这段代码所有执行完毕。

例如，最简单的并发冲突问题就是一个变量自增1：

balance = balance + 1;

表面看这是一条语句，但是在背后的汇编中咱们能够看到，指令集操做过程当中会引入中间变量来保存右边的值，进而这个操做至少会被扩充为：

int tmp = balance + 1;
balance = tmp;

这就须要一把互斥锁（mutual exclusive, mutex）将这段代码给锁住，使其达到任何一个线程“要么所有执行上述代码，要么不执行这段代码”的效果。这个用法能够表示为：

lock_t mutex;
...
lock(&mutex)
    balance = balance + 1;
unlock(&mutex);

那么，一个天然的问题即是，我如何实现上面的这个lock()函数呢？

乍一看这个问题是很是复杂的，特别是考虑到它可以被适用于各类代码的各类状况。但通过各类简化，这个lock()实现，能够经过几个test和set的组合得以实现。

例如，

typedef struct __lock_t { int flag; } lock_t;

void init(lock_t *mutex) {
    // 0: lock is available
    // 1: lock is held
    mutex->flag = 0;
}

void lock(lock_t *mutex) {
    while (mutex->flag == 1) {  // Test the flag.
        ;    // Wait the lock
    mutex->flag = 1;  // Set the lock, i.e. start to hold lock
}

void unlock(lock_t *mutex) {
    mutex->flag = 0;
}

我第一次看到这个算法的时候很是惊讶，一个原本极其复杂的问题就这么优雅地被解决了。它仅仅涉及到对条件的检验和变量的复制，而后整个问题就这么垂手可得地被攻破了。

固然，我并没能看到上述代码的“坑”，也便是必须依靠指令集级别的支持才能真正作到atomic。这一样说明了并发程序的困难，稍微不注意便会调入一个万劫不复的坑里，而且你还不知道哪里出错了。

上述极端优雅的代码，有一个隐藏的坑，那即是在lock()函数的实现里，while循环那一段实际上是能够被乱入的。

假设thread A是第一个运行到此的线程，那么它获得的mutex->flag就确定是0，因而它继续跳出循环往下运行，但愿经过下面的mutex->flag = 1来持有锁，使得其它线程在检测while循环时为真，进而进入循环的等待状态。

可若是在A执行到这个赋值为1的语句以前，又有另一个thread B运行到了这个while循环部分，因为mutex->flag还未被赋值为1，B一样能够跳出while，从而跟A同样拿到这把锁！这就出现了冲突。

那怎么办呢？仔细后能够发现，其实关键问题就在于：

• 对mutex->flag的检测
• 对mutex->flag的赋值

这两个操做必须是不被干扰的，也就是它必须是atomic的，要么这两段代码不被执行，要么这两段代码被不中断地完整执行。

这就须要借助CPU指令集的帮助，来保证上述两条语句的atomic操做，也便是著名的TestAndSet()操做。

int TestAndSet(int *ptr, int new) {
    int old = *ptr;
    *ptr = new;
    return old;
}

CPU的指令集，并不须要支持繁复的各类atomic操做。仅仅支持上面这个函数，各类互斥加锁的情形，便都可以被涵盖。

此时，在回到咱们最开始的那个优雅的lock()实现，就能够将其改造为：

typedef struct __lock_t { int flag; } lock_t;

void init(lock_t *lock) {
    // 0: lock is available
    // 1: lock is held
    mutex->flag = 0;
}

void lock(lock_t *mutex) {
    while (TestAndSet(&lock_t->flag, 1) == 1) {
        ;
}

void unlock(lock_t *lock) {
    lock->flag = 0;
}

上述代码极其精巧。乍一看在lock()实现里不是还缺乏一行mutex->flag = 1;么？可其实呢，它已经被整合到了TestAndSet()函数中。

这样的支持TestAndSet()的实现，即是最简单的spin lock，弹簧锁。之因此叫弹簧锁，那是由于在各种锁当中，弹簧锁就是最初的被投入工业使用的最简单的实现技术。