自旋鎖–Test and Set Clock機制分析

@(OS)

自旋鎖：為防止多處理器併發引入的一種鎖。

在核心中，廣泛應用於中斷處理部分。而在單處理器中，防止中斷處理處理中的併發簡單採用關閉中斷即可，在PSW中開啟/關閉中斷標誌位，用不到自旋鎖。反之，用了自旋鎖機制，就不用再管開中斷或者關中斷。

自旋鎖的設計初衷是忙則等待。

理解

目的：為了實現保護共享資源，任何時刻只能有一個保持者。即只有一個程序可以獲得鎖。

自旋鎖機制下，如果自旋鎖已經被別的執行單元保持，那麼呼叫者就一直迴圈在那裡看自旋鎖的保持者是否釋放了鎖，即忙則等待。很多出題點喜歡在這個概念上混淆，故意出成讓權等待。讓全等待是出讓CPU，這裡沒有體現這個思路。因為跟CPU無關。自旋

互斥鎖機制下，如果資源被佔用，資源申請者就會進入睡眠狀態。

原理的理解

• 執行單元想訪問被自旋鎖保護的共享資源，必須先獲得鎖。
• 訪問完共享資源後，必須釋放鎖。

當準備去獲取自旋鎖時，發現鎖沒人在用，順利獲得鎖，可以訪問共享資源。否則，就一直在等。這就像在火車上用衛生間，如果空閒，就可以馬上進去，且把門鎖上，保護隱私。用完了把門開啟走掉。如果裡面有人，只好在外面等，如果著急，你肯定會一直等著，在那著急自旋。這就是自旋鎖機制。如果你不等了，回座位休息去，那就是互斥鎖機制。

自旋鎖是比較低階的保護資料結構，貼近硬體層面實現。

可能存在的問題：

• 死鎖
• 過多佔用CPU資源

推匯出自旋鎖適合使用者保持鎖時間較短的情況。

而訊號量機制適合保持鎖較長時間，因此沒有資源可用時去睡眠。

實現

多處理機互斥演算法：

do
{
    ...
    while(Test_And_Set_Lock(&lock)); //特別注意分號，以及傳遞的引數是引用引數
    //臨界區
    lock = False;
    //剩餘區
}while(True)

Test_And_Set_Lock函式是用硬體保持的原子執行，不被打斷。

特別注意while(Test_And_Set_Lock(&lock));這句後面是個分號就是說會迴圈等待解鎖。

理解到這個地步，就可以來思考一道真題了。

（2016.27）使用TSL指令實現程序互斥的虛擬碼如下：

do
{
    ...
    while(Test_And_Set_Lock(&lock)); //特別注意分號，以及傳遞的引數是引用引數
    //臨界區
    lock = False;
    //剩餘區
}while(True)

下列與該實現機制相關的敘述中，正確的是：
A. 退出臨界區的程序負責喚醒阻塞態程序
B. 等待進入臨界區的程序不會主動放棄CPU
C. 上述虛擬碼滿足“讓權等待”的同步準則
D. while(Test_And_Set_Lock(&lock))語句應在關中斷狀態下執行

分析：由上面的一大段分析可知，A項表述的是訊號量機制這些程序較長時才有的狀態，即程序無法訪問臨界資源時要去睡眠，在TSL裡，都是短程序，都是精力充沛的，忙則等待的型別。因此，沒人睡，自然也不存在喚醒。
C項讓權等待與B項表達的東西是相反的。讓權是什麼意思？有必要特別說明。讓權等待是一種策略，但是物件可以是CPU也可以是臨界資源。這要看具體語境。這裡，針對臨界資源的訪問，讓權等待是指：當程序不能進入臨界區時，應立即釋放處理器，防止程序忙等待。我們需要形成一種概念是，程序是程式的動態執行過程，忙則等待資源時，必然是在執行的程序，是有CPU在背後力挺的，睡眠就是說沒有資源趕緊滾，別佔著CPU！

想一想程序排程的三大基本形態：就緒態，執行態，阻塞態三態之間的互相轉化。

因此，C項錯，B項對，忙則等待就是要佔著CPU，所幸的是程序不長，否則遞迴呼叫一定產生死鎖。

D項是很細緻的考察，前面專門提過，TSL是多處理器下的程序併發問題，只有在中斷機制下采用PSW，關中斷/開中斷方式來進行程序的併發控制。