[001]从操作系统层面看锁的逻辑

从操作系统层面，锁 (Lock) 是一种同步机制，用于控制多个线程或线程对共享资源的访问，防止竞态条件(race condition).常见的锁包括互斥锁（mutex）、读写锁(read-write lock)、自旋锁（spinlock）等。下面逐一分析其原理，从内核实现，CPU指令，调度机制等角度解释。

1.互斥锁（Mutex）

 原理

 作用：确保同一时刻只有一个线程/进程访问临界区。

实现机制：基于原子操作和睡眠/唤醒机制。

操作系统实现细节

1.用户态尝试加锁（快速路径）：

         通常用 原子CAS (Compare-And-Swap) 尝试将锁状态从“未占用”变为已经占用。

        成功则进入临界区，失败则进入下一步。

2. 内核态挂起（慢路径）：

        如果锁被占用，则线程被阻塞，进入等待队列（入Linux的futex队列）

        等待唤醒时才尝试重新加锁。

3.解锁时唤醒等待线程

        解锁线程将锁状态置为 未占用 并唤醒一个或者多个等待线程。

Linux示例：

         Linux 中pthread_mutex实际使用了futex(fast userspace mutex)

        futex 运行用户态，快速获取锁，失败时才陷入内核挂起，避免频繁陷入内核态。

二、自旋锁(Spinlock )

原理

不会挂起线程，而是获取不到锁时，持续循环检查锁状态（“忙等待”）

适用于临界区非常短、线程不会被长时间阻塞的场景（如内核中断上下文）

实现方式

使用原子质量（如xchg,cmpxhcg）实现加锁

CPU指令层级提供如LOCK CMPXCHG来保证总线原子性。

缺点

占用CPU资源，等待时间线程无法做其他工作。

多核系统上会导致缓存一直性流量（chache coherence traffice）增加。

三、读写锁（Read-Write Lock）

原理

允许多个读者共享访问，但写者必须独占。

优化了读多写少的场景。

实现机制

通常维护一个计数器记录读者数量。

写线程必须等待所有读者释放锁后才能进入。

内核或者用户态原子操作与条件变量管理状态

操作系统支持

POSIX提供pthread_rwlock ，Linux 内部实现使用类似rw_semaphore.

四、信号量(Semaphore)

原理

计数信号量可控制对资源的访问数量

二值信号量可以作为互斥锁的替代。

实现机制

内核维护一个计数器，P (wait) 操作将其减一，若<0则阻塞；V(signal )操作将其加一，唤醒等待线程

五、实现关键点：从硬件到内核

 

层级	关键点
CPU	提供原子操作：CMPXCHG,XCHG,LL/SC (ARM/MIPS)
缓存一致性	确保多核之间对锁变量的访问保持一致（MESI协议）
内核调度器	维护等待队列，挂起线程，唤醒线程
系统调用	用户态锁失败后，通过futex进入内核挂起

六、总结与对比

锁类型	是否阻塞线程	性能	场景
互斥锁	是	较好	通用
自旋锁	否（忙等）	非常高（短临界区）	内核、无阻塞上下文
读写锁	是	优于互斥（读多）	多读少些场景
信号量	是	适中	计数共享资源控制