2.6 操作系统 并发与互斥

一、同步与异步

• 同步：用来保证调用方和被调用方顺序执行。调用方需要等待被调用方执行完成之后，自身才能继续执行，调用方的逻辑控制流被阻塞。同步不一定要阻塞，只是逻辑控制流被阻塞。阻塞只是同步最常用的手段。
• 异步：调用方和被调用方各自执行。调用方发出请求之后，无需等待被调用方执行完毕就可以继续执行，被调用方的执行结果通过回调、信号等方式返回给调用方。
• 核心区别：调用方的逻辑控制流是否阻塞等待被调用方执行结束。

二、同步：有锁、无锁、无等待

• 锁的概念：核心目的是解决并发（多个操作同时进行）时，争抢共享资源（如数据、文件等）导致的混乱问题。
• 上锁（加锁）：申请独占使用权。如果资源空闲，就可获得锁并开始操作。
• 解锁（释放）：归还使用权，让其他任务可以申请。

（1）有锁 (Lock-Based)

核心思想：保证同一时间只有一个线程能进入临界区（访问共享资源）。

特点：

阻塞：未获得锁的线程会挂起等待，导致上下文切换的开销。

确定性：保证了最强的正确性（安全性）。

（2）无锁 (Lock-Free)

核心思想：不使用传统的互斥锁，通过原子操作来保证并发安全。它保证系统整体的进度不会停滞。

特点：

非阻塞：至少有一个线程能在有限步内完成操作，不会出现所有线程都卡死的情况。

高性能：在高竞争环境下，避免了线程挂起和调度的巨大开销。

活性：可能发生活锁（线程不断重试但都无法完成操作），但某个线程最终总会成功。

保证：它只保证系统整体不会卡死，不保证每一个线程都能立刻取得进展。

（3）无等待 (Wait-Free)

核心思想：是无锁的一个更强保证的子集。要求每一个线程都能在有限步内完成自己的操作，不管其他线程的行为和速度。

特点：

非阻塞：是所有非阻塞算法中最高级别的保证。

线程级进步：每个线程都独立取得进展，绝对不会出现“饿死”现象。

实现难度极高。

最强保证：提供了最强的进度保证和公平性。

三、自旋锁

自旋锁只有锁定和解锁两个状态。自旋锁不会导致休眠，会一直尝试获取锁。自旋锁只适合短期持有。如果自旋时间过长，会浪费处理器的时间，降低系统性能。自旋锁同时会禁止本处理机的抢占，如果没有禁止中断，则只有中断程序能够运行。在用户态下应尽量避免使用自旋锁。

（1）加锁

（2）解锁

直接原子将 lock 清零。

四、自旋锁和信号量可以用于中断吗？

自旋锁可以用于中断，但在获取自旋锁前，需要先禁止本地中断。因为如果获取了锁，此时又一个中断程序