简析Linux内核中的各种锁：信号量/互斥锁/读写锁/原子锁/自旋锁/内存屏障等

首先得搞清楚，不同锁的作用对象不同。 下面分别是作用于临界区、CPU、内存、cache 的各种锁的归纳：

一、atomic原子变量/spinlock自旋锁 — —CPU

既然是锁CPU，那就都是针对多核处理器或多CPU处理器。单核的话，只有发生中断会使任务被抢占，那么可以进入临界区之前先关中断，但是对多核CPU光关中断就不够了，因为对当前CPU关了中断只能使得当前CPU不会运行其它要进入临界区的程序，但其它CPU还是可能执行进入临界区的程序。

原子变量：在x86多核环境下，多核竞争数据总线的时候，提供Lock指令锁住总线，保证“读-修改-写”操作在芯片级的原子性。这个好说，我们一般对某个被多线程会访问的变量设置为atomic类型的即可，比如atomic_int x；或atomic x;

自旋锁： 当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取。使用实例如下：

#include

// 定义自旋锁

spinlock_t my_lock;

void my_function(void)

{

spin_lock(&my_lock);

// 访问共享资源的操作

spin_unlock(&my_lock);

}

互斥锁中，要是当前线程没拿到锁，就会出让CPU；而自旋锁中，要是当前线程没有拿到锁，当前线程在CPU上忙等待直到锁可用，这是为了保证响应速度更快。但是这种线程多了，那意味着多个CPU核都在忙等待，使得系统性能下降。 因此一定不能自旋太久，所以用户态编程里用自旋锁保护临界区的话，这个临界区一定要尽可能小，锁的粒度得尽可能小。

为什么自旋锁的响应速度会比互斥锁更快？

在小林coding中说到，自旋锁是通过 CPU 提供的 CAS 函数（Compare And Swap），在「用户态」完成加锁和解锁操作，不会主动产生线程上下文切换，所以相比互斥锁来说，会快一些，开销也小一些。 而互斥锁则不是，前面说互斥锁加锁失败，线程会出让CPU，这个过程其实是由内核来完成线程切换的，因此加锁失败时，1）首先从用户态切换至内核态，内核会把线程的状态从「运行」状态设置为「睡眠」状态，然后把 CPU 切换给其他线程运行；2）当互斥锁可用时，之前「睡眠」状态的线程会变为「就绪」状态（要进入就绪队列了），之后内核会在合适的时间，把 CPU 切换给该线程运行。 然后返回用户态。 这个过程中，不仅有用户态到内核态的切换开销，还有两次线程上下文切换的开销。 线程的上下文切换主要是线程栈、寄存器、线程局部变量等。 而自旋锁在当前线程获取锁失败时不会进行线程的切换，而是一直循环等待直到获取锁成功。因此，自旋锁不会切换至内核态，也没有线程切换开销。 所以如果这个锁被占有的时间很短，或者说各个线程对临界区是快进快出，那么用自旋锁是开销最小的！ 自旋锁的缺点前面也说了，就是如果自旋久了或者自旋的线程数量多了，CPU的利用率就下降了，因为上面执行的每个线程都在忙等待— —占用了CPU但什么事都没做。

二、信号量/互斥锁 — —临界区

信号量： 信号量（信号灯）本质是一个计数器，是描述临界区中可用资源数目的计数器。 信号量为3，表示可用资源为3。加入初始信号量为3，某时刻信号量为1，说明可用资源数为1，那么有2个进程/线程在使用资源或者说有两个资源被消耗了（具体资源是什么得看具体情况）。进程对信号量有PV操作，P操作就是进入共享资源区前-1，V操作就是离开共享资源后+1（这个时候信号量就表明还可以允许多少个进程进入该临界区）。 信号量进行多线程通信编程的时候，往往初始化信号量为0，然后用两个函数做线程间同步： sem_wait()：等待信号量，如果信号量的值大于0,将信号量的值减1,立即返回。 如果信号量的值为0,则线程阻塞。 sem_post()：释放资源，信号量+1 ，相当于unlock，这样执行了sem_wait()的线程就不阻塞了。

要注意：信号量本身也是个共享资源，它的++操作（释放资源）和--操作（获取资源）也需要保护。其实就是用的自旋锁保护的。如果有中断的话，会把中断保存到eflags寄存器，待操作完成，就去该寄存器上读取，然后执行中断。

struct semaphore {

spinlock_t lock; // 自旋锁

unsigned