多线程的那点事儿（之数据互斥）

winston

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    在多线程存在的环境中，除了堆栈中的临时数据之外，所有的数据都是共享的。如果我们需要线程之间正确地运行，那么务必需要保证公共数据的执行和计算是正确的。简单一点说，就是保证数据在执行的时候必须是互斥的。否则，如果两个或者多个线程在同一时刻对数据进行了操作，那么后果是不可想象的。
    也许有的朋友会说，不光数据需要保护，代码也需要保护。提出这个观点的朋友只看到了数据访问互斥的表象。在程序的运行空间里面，什么最重要的呢？代码吗？当然不是。代码只是为了数据的访问存在的。数据才是我们一切工作的出发点和落脚点。
    那么，有什么办法可以保证在某一时刻只有一个线程对数据进行操作呢？四个基本方法：
    （1）关中断
    （2）数学互斥方法
    （3）操作系统提供的互斥方法
    （4）cpu原子操作
    为了让大家可以对这四种方法有详细的认识，我们可以进行详细的介绍。

    （1）关中断
    要让数据在某一时刻只被一个线程访问，方法之一就是停止线程调度就可以了。那么怎样停止线程调度呢？那么关掉时钟中断就可以了啊。在X86里面的确存在这样的两个指令，view plain

• #include <stdio.h>
  
• 
  
• int main()  
• {  
•     __asm{  
•         cli  
•         sti  
•     }  
•     return 1;  
• }  

    其中cli是关中断，sti是开中断。这段代码没有什么问题，可以编过，当然也可以生成执行文件。但是在执行的时候会出现一个异常告警：Unhandled exception in test.exe: 0xC0000096:  Privileged Instruction。告警已经说的很清楚了，这是一个特权指令。只有系统或者内核本身才可以使用这个指令。
    不过，大家也可以想象一下。因为平常我们编写的程序都是应用级别的程序，要是每个程序都是用这些代码，那不乱了套了。比如说，你不小心安装一个低质量的软件，说不定什么时候把你的中断关了，这样你的网络就断了，你的输入就没有回应了，你的音乐什么都没有了，这样的环境你受的了吗？应用层的软件是千差万别的，软件的水平也是参差不齐的，所以系统不可能相信任何一个私有软件，它相信的只是它自己。

    （2）数学方法
    假设有两个线程（a、b）正要对一个共享数据进行访问，那么怎么做到他们之间的互斥的呢？其实我们可以这么做，view plain

• unsigned int flag[2] = {0};  
• unsigned int turn = 0;  
• 
  
• void process(unsigned int index)  
• {  
•     flag[index] = 1;  
•     turn =  index;  
• 
  
•     while(flag[1 - index] && (turn ==  index));  
•     do_something();  
•     flag[index] = 0;  
• }  

    其实，学过操作系统的朋友都知道，上面的算法其实就是Peterson算法，可惜它只能用于两个线程的数据互斥。当然，这个算法还可以推广到更多线程之间的互斥，那就是bakery算法。但是数学算法有两个缺点：
    a）占有空间多，两个线程就要flag占两个单位空间，那么n个线程就要n个flag空间，
    b）代码编写复杂，考虑的情况比较复杂

    （3）系统提供的互斥算法
    系统提供的互斥算法其实是我们平时开发中用的最多的互斥工具。就拿windows来说，关于互斥的工具就有临界区、互斥量、信号量等等。这类算法有一个特点，那就是都是依据系统提高的互斥资源，那么系统又是怎么完成这些功能的呢？其实也不难。
    系统加锁过程，view plain

• void Lock(HANDLE hLock)  
• {  
•     __asm {cli};  
• 
  
•     while(1){  
•         if(/* 锁可用*/){  
•             /* 设定标志，表明当前锁已被占用 */
  
•             __asm {sti};  
•             return;  
•         }  
• 
  
•         __asm{sti};  
•         schedule();  
•         __asm{cli};  
•     }  
• }  

    系统解锁过程，view plain

• void UnLock(HANDLE hLock)  
• {  
•     __asm {cli};  
•     /* 设定标志， 当前锁可用 */
  
•     __asm{sti};  
• }  

    上面其实讨论的就是一种最简单的系统锁情况。中间没有涉及到就绪线程的压入和弹出过程，没有涉及到资源个数的问题，所以不是很复杂。朋友们仔细看看，应该都可以明白代码表达的是什么意思。

    （4）CPU的原子操作
    因为在多线程操作当中，有很大一部分是比较、自增、自减等简单操作。因为需要互斥的代码很少，所以使用互斥量、信号量并不合算。因此，CPU厂商为了开发的方便，把一些常用的指令设计成了原子指令，在windows上面也被称为原子锁，常用的原子操作函数有view plain

• InterLockedAdd  
• 
  
• InterLockedExchange  
• 
  
• InterLockedCompareExchange  
• 
  
• InterLockedIncrement  
• 
  
• InterLockedDecrement  
• 
  
• InterLockedAnd  
• 
  
• InterLockedOr