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在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，多線程編程已經(jīng)成為了必不可少的一部分。然而，多線程編程不可避免地會(huì)引入一些競(jìng)爭(zhēng)條件，例如兩個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)共享資源，這樣的操作可能會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)一致性問(wèn)題和程序崩潰。為了解決這些問(wèn)題，Linux內(nèi)核提供了一種鎖機(jī)制，稱為Mutex。本文將介紹Mutex的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用。
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1. Mutex的概述
Mutex是一種二進(jìn)制鎖，用于保護(hù)共享資源免受并發(fā)訪問(wèn)的干擾。它有兩個(gè)狀態(tài)，鎖定和解鎖。當(dāng)一個(gè)線程請(qǐng)求鎖時(shí)，如果Mutex是解鎖狀態(tài)，那么這個(gè)線程就可以獲得鎖，并將Mutex置為鎖定狀態(tài)；如果Mutex已經(jīng)被另一個(gè)線程鎖定，那么當(dāng)前線程就必須等待，直到Mutex被解鎖。
Mutex是一種臨界區(qū)鎖，它可以保護(hù)所有共享資源，包括變量、內(nèi)存塊、隊(duì)列和文件等等。Mutex的主要作用是確保在無(wú)競(jìng)爭(zhēng)條件下，只有一個(gè)線程可以訪問(wèn)臨界區(qū)。
2. Mutex的實(shí)現(xiàn)原理
Mutex的實(shí)現(xiàn)原理包括了幾個(gè)重要的內(nèi)核關(guān)鍵字，包括自旋鎖、信號(hào)量和等待隊(duì)列。下面我們將詳細(xì)講解這三個(gè)關(guān)鍵字的實(shí)現(xiàn)原理。
2.1 自旋鎖（Spin Lock）
自旋鎖是一種特殊的鎖，它不會(huì)導(dǎo)致線程阻塞。如果一個(gè)線程請(qǐng)求自旋鎖時(shí)，如果自旋鎖被另一個(gè)線程占用，則該線程將不斷循環(huán)，直到自旋鎖被釋放。在這種情況下，使用自旋鎖可以避免線程阻塞的開銷，因?yàn)榫€程不會(huì)被掛起。
2.2 信號(hào)量（Semaphore）
信號(hào)量是一種計(jì)數(shù)器機(jī)制，它用于控制并發(fā)操作的數(shù)量。它有兩種類型：互斥信號(hào)量和計(jì)數(shù)信號(hào)量。互斥信號(hào)量只有一個(gè)許可，類似于Mutex的鎖機(jī)制。如果一個(gè)線程請(qǐng)求互斥信號(hào)量時(shí)，它必須等待，直到另一個(gè)線程釋放了互斥信號(hào)量。計(jì)數(shù)信號(hào)量則允許多個(gè)許可，這意味著可以允許多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)一段代碼。
2.3 等待隊(duì)列（Wt Queue）
等待隊(duì)列是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用于存儲(chǔ)等待鎖的線程。當(dāng)一個(gè)線程請(qǐng)求鎖時(shí)，如果鎖已經(jīng)被占用，該線程將被添加到等待隊(duì)列中，并在鎖被釋放時(shí)喚醒。等待隊(duì)列由兩個(gè)主要部分組成：等待隊(duì)列頭和等待隊(duì)列項(xiàng)。等待隊(duì)列項(xiàng)是某個(gè)線程加入等待隊(duì)列的記錄，而等待隊(duì)列頭包含等待隊(duì)列項(xiàng)的指針。
3. Mutex的應(yīng)用
Mutex在Linux內(nèi)核中被廣泛使用，例如在內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信等方面。以文件系統(tǒng)為例，當(dāng)多個(gè)進(jìn)程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)文件時(shí)，Mutex可以確保文件內(nèi)容的一致性。另一方面，當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)訪問(wèn)同一個(gè)內(nèi)存區(qū)域時(shí)，Mutex可以保證數(shù)據(jù)不會(huì)被破壞或丟失。在所有這些示例中，Mutex確保多個(gè)線程或進(jìn)程不會(huì)同時(shí)訪問(wèn)共享資源，以防止數(shù)據(jù)損壞或數(shù)據(jù)不一致。
4.
Mutex是Linux內(nèi)核中最重要的鎖機(jī)制之一，它使用了自旋鎖、信號(hào)量和等待隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)。Mutex是一種二進(jìn)制鎖，可用于保護(hù)共享資源免受并發(fā)訪問(wèn)的干擾。Mutex被廣泛應(yīng)用于內(nèi)存管理、進(jìn)程管理、文件系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信等方面，以確保共享資源的一致性。在多線程編程時(shí)，理解Mutex的實(shí)現(xiàn)原理和應(yīng)用非常重要，以確保多線程應(yīng)用程序的正確性和穩(wěn)定性。
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Linux進(jìn)程間通信（互斥鎖、條件變量、讀寫鎖、文件鎖、信號(hào)燈）
為了能返孫夠有效的控制多個(gè)進(jìn)程之間的溝通過(guò)程，保證溝通過(guò)程的有序和和諧，OS必須提供一定的同步機(jī)制保證進(jìn)程之間不會(huì)自說(shuō)自話而是有效的協(xié)同工作。比如在 共享內(nèi)存的通信方式中，兩個(gè)或者多個(gè)進(jìn)程都要對(duì)共享的內(nèi)存進(jìn)漏腔鏈行數(shù)據(jù)寫入，那么怎么才能保證一個(gè)進(jìn)程在寫入的過(guò)程中不被其它的進(jìn)程打斷，保證數(shù)據(jù)的完整性 呢？又怎么保證讀取進(jìn)程在讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中數(shù)據(jù)不會(huì)變動(dòng)，保證讀取出的數(shù)據(jù)是完整有效的呢？
常用的同步方式有： 互斥鎖、圓鋒條件變量、讀寫鎖、記錄鎖(文件鎖)和信號(hào)燈.
互斥鎖：
顧名思義，鎖是用來(lái)鎖住某種東西的，鎖住之后只有有鑰匙的人才能對(duì)鎖住的東西擁有控制權(quán)(把鎖砸了，把東西偷走的小偷不在我們的討論范圍了)。所謂互斥， 從字面上理解就是互相排斥。因此互斥鎖從字面上理解就是一點(diǎn)進(jìn)程擁有了這個(gè)鎖，它將排斥其它所有的進(jìn)程訪問(wèn)被鎖住的東西，其它的進(jìn)程如果需要鎖就只能等待，等待擁有鎖的進(jìn)程把鎖打開后才能繼續(xù)運(yùn)行。 在實(shí)現(xiàn)中，鎖并不是與某個(gè)具體的變量進(jìn)行關(guān)聯(lián)，它本身是一個(gè)獨(dú)立的對(duì)象。進(jìn)(線)程在有需要的時(shí)候獲得此對(duì)象，用完不需要時(shí)就釋放掉。
互斥鎖的主要特點(diǎn)是互斥鎖的釋放必須由上鎖的進(jìn)(線)程釋放，如果擁有鎖的進(jìn)(線)程不釋放，那么其它的進(jìn)(線)程永遠(yuǎn)也沒有機(jī)會(huì)獲得所需要的互斥鎖。
互斥鎖主要用于線程之間的同步。
條件變量：
上文中提到，對(duì)于互斥鎖而言，如果擁有鎖的進(jìn)(線)程不釋放鎖，其它進(jìn)(線)程永遠(yuǎn)沒機(jī)會(huì)獲得鎖，也就永遠(yuǎn)沒有機(jī)會(huì)繼續(xù)執(zhí)行后續(xù)的邏輯。在實(shí)際環(huán)境下，一 個(gè)線程A需要改變一個(gè)共享變量X的值，為了保證在修改的過(guò)程中X不會(huì)被其它的線程修改，線程A必須首先獲得對(duì)X的鎖。現(xiàn)在假如A已經(jīng)獲得鎖了，由于業(yè)務(wù)邏 輯的需要，只有當(dāng)X的值小于0時(shí)，線程A才能執(zhí)行后續(xù)的邏輯，于是線程A必須把互斥鎖釋放掉，然后繼續(xù)“忙等”。如下面的偽代碼所示：
1.// get x lock
2.while(x
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本文標(biāo)題：淺談Linux內(nèi)核鎖Mutex的實(shí)現(xiàn)原理與應(yīng)用(linux內(nèi)核鎖mutex)
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