operating-system - 'Mutex lock' 到底是做什么的？

Question

您可以在此链接中看到一个有趣的表格。 http://norvig.com/21-days.html#answers

该表描述，
互斥锁/解锁 25 nanosec 从主存中获取 100 nanosec
纳秒？
我很惊讶因为mutex lock比 fetch data from memory 快.如果是这样，什么mutex lock究竟是做什么的？ Mutex lock 是什么意思？是在餐 table 上吗？

Answer 1

假设有 10 个人不得不共用一支笔(也许他们在一家非常缺乏资金的公司工作)。由于他们必须用笔写长文件，但写文件的大部分工作只是想着说什么，他们同意每个人都可以用笔写文件的一个句子，然后必须使其可供该组的其他成员使用。

现在我们有一个问题:如果两个人都想完下一句话，并且都想同时使用笔怎么办？我们可以说两个人都可以捕获笔，但这是一支易碎的旧笔，所以如果两个人捕获它就会坏掉。相反，我们在笔周围画一条粉笔线。首先，您将手放在粉笔线上，然后拿起笔。如果一个人的手在粉笔线内，则不允许其他人将手放在粉笔线内。如果两个人试图同时将手伸过粉笔线，根据这些规则，只有一个人会先进入粉笔线，所以另一个人必须 Handlebars 缩回并保持在粉笔线外，直到笔再次可用。

让我们将其与互斥锁联系起来。互斥锁是一种在称为临界区(写文档的一个句子的时间)的短时间内保护共享资源(笔)的方法。每当您想使用该资源时，您同意首先调用 mutex_lock(将您的手放在粉笔线内)。每当您使用完该资源时，您同意调用 mutex_unlock(将您的手从粉笔线区域伸出)。

现在了解互斥锁是如何实现的。互斥锁通常使用共享内存实现。有一些共享的不透明数据对象称为互斥体，mutex_lock 和 mutex_unlock 函数都采用指向其中之一的指针。 mutex_lock 函数使用原子测试和设置或加载链接/存储条件指令序列检查和修改互斥锁内的数据(在 x86 上，经常使用 xhcg)，并且要么“获取互斥锁” - 设置互斥对象向其他线程指示关键部分已锁定 - 或必须等待。最终，线程获得互斥体，在临界区内完成工作，并调用 mutex_unlock 。此函数设置互斥锁内的数据以将其标记为可用，并可能唤醒一直试图获取互斥锁的休眠线程(这取决于互斥锁实现 - mutex_lock 的某些实现只是在 xchg 上仔细查看，直到mutex 可用，因此无需 mutex_unlock 通知任何人)。

为什么锁定互斥锁比进入内存要快？简而言之，缓存。 CPU 有一个可以非常快速地访问的缓存，因此只要处理器可以确保没有其他处理器访问该数据，xchg 操作就不需要一直到内存中。但是 x86 有一个“拥有”缓存线的概念——如果处理器 0 拥有一个缓存线，那么任何其他想要使用该缓存线中的数据的处理器都必须通过处理器 0。这样，就不需要 xhcg操作来查看缓存之外的任何数据，并且缓存访问往往非常快，因此获取无争议的互斥体比访问内存要快。

但是，最后一段有一个警告:速度优势仅适用于无争议的互斥锁。如果两个线程试图同时锁定同一个互斥体，运行这些线程的处理器必须进行通信并处理相关缓存行的所有权，这大大减慢了互斥体的获取速度。此外，两个线程中的一个必须等​​待另一个线程执行临界区中的代码，然后释放互斥锁，从而进一步减慢其中一个线程的互斥锁获取速度。