锁的底层原理 — 25行代码轻松理解

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2024-02-12 21:38:21

导读

在计算机科学中，锁是一种同步机制，用于防止多个线程同时访问共享资源。本文将深入探讨锁的底层原理，用 25 行代码解析其工作机制。

何为锁？

锁是一种数据结构，它可以控制对共享资源的访问。当一个线程获取锁时，它可以独占访问共享资源，而其他线程必须等待锁释放。

锁的种类

锁有多种类型，每种类型都有其独特的特性：

互斥锁：允许一次只有一个线程持有锁。
读写锁：允许多个线程同时读取共享资源，但一次只有一个线程可以写入。
自旋锁：当锁不可用时，线程会不断轮询锁，而不是进入休眠状态。

锁的底层实现

锁的底层实现通常使用原子操作，如“测试并设置”指令。这种指令允许线程检查锁的状态并原子地将其设置为已锁定。

原子操作

原子操作是一组指令，保证在执行过程中不会被中断。这对于锁的正确工作至关重要，因为多个线程可能同时尝试获取锁。

测试并设置指令

测试并设置指令（TAS）是一个原子操作，它检查锁的状态并将其设置为已锁定。其伪代码如下：

while (lock == 0) {
  if (TAS(&lock, 1)) {
    // 获取锁成功
    break;
  }
}

释放锁

释放锁的过程也很简单，它涉及将锁的状态设置为未锁定。

lock = 0;

锁在多线程中的作用

在多线程环境中，锁用于防止线程间的数据竞争。例如，考虑一个银行账户，其中多个线程同时尝试提取资金。如果没有锁，多个线程可能会同时修改账户余额，导致不一致的数据。

使用锁的示例

以下是一个简单的 C++ 代码示例，演示了锁的使用：

#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex m;
int counter = 0;

void increment_counter() {
  std::lock_guard<std::mutex> guard(m);  // 获取锁
  counter++;                               // 修改共享资源
}

int main() {
  std::thread t1(increment_counter);
  std::thread t2(increment_counter);

  t1.join();
  t2.join();

  std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;  // 打印结果
  return 0;
}