1 定義
互斥鎖（mutex）是一種用于多線程編程的機制，用于防止多條線程同時對同一公共資源進行讀寫操作。
為了達到這個目的，互斥鎖將代碼劃分為臨界區域（critical section），這部分代碼涉及對公共資源的讀寫操作。一個程序、進程或線程可以擁有多個臨界區域，但并不一定都需要應用互斥鎖。
舉例來說，如果一條線程正在修改數據，而另一條線程被喚醒并嘗試讀取這些數據，那么就會導致數據的狀態不確定，甚至可能導致數據損壞。為了保護多個線程共享的數據，必須確保同一時間只有一個臨界區域處于運行狀態，其他的臨界區域必須被掛起并無法獲得運行機會。
互斥鎖實現多線程同步的核心思想是，當一個線程訪問公共資源時，這個線程會執行“加鎖”操作，阻止其他線程訪問該資源。訪問完成后，線程會執行“解鎖”操作，讓其他線程可以訪問資源。當多個線程競爭訪問資源時，只有最先執行“加鎖”操作的線程可以訪問資源。
在多個線程競爭訪問已被鎖定的公共資源時，其他線程只能等待資源解鎖，形成一個等待隊列。一旦資源被解鎖，操作系統會喚醒等待隊列中的線程，第一個獲得資源鎖的線程將開始訪問資源，而其他線程則繼續等待。
mutex有什么缺點？
不同于mutex最初的設計與目的，現在的struct mutex是內核中最大的鎖之一，比如在x86-64上，它差不多有32bytes的大小，而Struct samaphore是24bytes，rw_semaphore為40bytes，更大的數據結構意味著占用更多的CPU緩存和更多的內存占用。
什么時候應該使用mutex？
除非mutex的嚴格語義要求不合適或者臨界區域阻止鎖的共享，否則相較于其他鎖原語來說更傾向于使用mutex
mutex與spinlock的區別？
spinlock是讓一個嘗試獲取它的線程在一個循環中等待的鎖，線程在等待時會一直查看鎖的狀態。而mutex是一個可以讓多個進程輪流分享相同資源的機制
spinlock通常短時間持有，mutex可以長時間持有
spinlock任務在等待鎖釋放時不可以睡眠，mutex可以
看到一個非常有意思的解釋：
spinlock就像是坐在車后座的熊孩子，一直問”到了嗎？到了嗎？到了嗎？…“
mutex就像一個司機返回的信號，說”我們到了！“
2 實現
看一下Linux kernel-5.8是如何實現mutex的2 實現
struct?mutex?{ ??atomic_long_t????owner; ??spinlock_t????wait_lock; #ifdef?CONFIG_MUTEX_SPIN_ON_OWNER ??struct?optimistic_spin_queue?osq;?/*?Spinner?MCS?lock?*/ #endif ??struct?list_head??wait_list; #ifdef?CONFIG_DEBUG_MUTEXES ??void??????*magic; #endif #ifdef?CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC ??struct?lockdep_map??dep_map; #endif };
可以看到，mutex使用了原子變量owner來追蹤鎖的狀態，owner實際上是指向當前mutex鎖擁有者的struct task_struct *指針，所以當鎖沒有被持有時，owner為NULL。
/* ?*?This?is?the?control?structure?for?tasks?blocked?on?mutex, ?*?which?resides?on?the?blocked?task's?kernel?stack: ?*?表示等待隊列wait_list中進程的結構體 ?*/ struct?mutex_waiter?{ ??struct?list_head??list; ??struct?task_struct??*task; ??struct?ww_acquire_ctx??*ww_ctx; #ifdef?CONFIG_DEBUG_MUTEXES ??void??????*magic; #endif };
上鎖
當要獲取mutex時，通常有三種路徑方式
fastpath：通過 cmpxchg() 當前任務與所有者來嘗試原子性的獲取鎖。這僅適用于無競爭的情況（cmpxchg() 檢查 0UL，因此上面的所有 3 個狀態位都必須為 0）。如果鎖被爭用，它會轉到下一個可能的路徑。
midpath：又名樂觀旋轉（optimistic spinning）—在鎖的持有者正在運行并且沒有其他具有更高優先級（need_resched）的任務準備運行時，通過旋轉來獲取鎖。理由是如果鎖的所有者正在運行，它很可能很快就會釋放鎖。mutex spinner使用 MCS 鎖排隊，因此只有一個spinner可以競爭mutex。
MCS 鎖（由 Mellor-Crummey 和 Scott 提出）是一個簡單的自旋鎖，具有公平的理想屬性，每個 cpu 都試圖獲取在本地變量上旋轉的鎖，排隊采用的是鏈表實現的FIFO。它避免了常見的test-and-set自旋鎖實現引起的昂貴的cacheline bouncing。類似MCS的鎖是專門為睡眠鎖的樂觀旋轉而量身定制的（畢竟如果只是短暫的自旋比休眠效率要高）。自定義 MCS 鎖的一個重要特性是它具有額外的屬性，即當spinner需要重新調度時，它們能夠直接退出 MCS 自旋鎖隊列。這有助于避免需要重新調度的 MCS spinner持續在mutex持有者上自旋，而僅需直接進入慢速路徑獲取MCS鎖。
slowpath：最后的手段，如果仍然無法獲得鎖，則將任務添加到等待隊列并休眠，直到被解鎖路徑喚醒。在正常情況下它阻塞為 TASK_UNINTERRUPTIBLE。
雖然正式的內核互斥鎖是可休眠的鎖，但midpath路徑 (ii) 使它們更實際地成為混合類型。通過簡單地不中斷任務并忙于等待幾個周期而不是立即休眠，此鎖的性能已被視為顯著改善了許多工作負載。請注意，此技術也用于 rw 信號量。
具體代碼調用鏈很長…
/*不可中斷的獲取鎖*/ void?__sched?mutex_lock(struct?mutex?*lock) { ????might_sleep(); ????/*fastpath*/ ????if?(!__mutex_trylock_fast(lock)) ????????/*midpath?and?slowpath*/ ????????__mutex_lock_slowpath(lock); } __mutex_trylock_fast(lock)?->?atomic_long_try_cmpxchg_acquire(&lock->owner,?&zero,?curr)?->?atomic64_try_cmpxchg_acquire(v,?(s64?*)old,?new); __mutex_lock_slowpath(lock)->__mutex_lock(lock,?TASK_UNINTERRUPTIBLE,?0,?NULL,?_RET_IP_)?->??__mutex_lock_common(lock,?state,?subclass,?nest_lock,?ip,?NULL,?false) ?? ?? /*可中斷的獲取鎖*/ int?mutex_lock_interruptible(struct?mutex?*lock);
嘗試上鎖
int?__sched?mutex_trylock(struct?mutex?*lock) { ??bool?locked; #ifdef?CONFIG_DEBUG_MUTEXES ??DEBUG_LOCKS_WARN_ON(lock->magic?!=?lock); #endif ??locked?=?__mutex_trylock(lock); ??if?(locked) ????mutex_acquire(&lock->dep_map,?0,?1,?_RET_IP_); ??return?locked; } static?inline?bool?__mutex_trylock(struct?mutex?*lock) { ??return?!__mutex_trylock_or_owner(lock); }
釋放鎖
void?__sched?mutex_unlock(struct?mutex?*lock) { #ifndef?CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC ??if?(__mutex_unlock_fast(lock)) ????return; #endif ??__mutex_unlock_slowpath(lock,?_RET_IP_); }
跟加鎖對稱，也有fastpath, midpath, slowpath三條路徑。
判斷鎖狀態
bool?mutex_is_locked(struct?mutex?*lock) { ??return?__mutex_owner(lock)?!=?NULL; }
很顯而易見，mutex持有者不為NULL即表示鎖定狀態。
3 實際案例
實驗：
#include? #include? #define?LOOP?1000000 int?cnt?=?0; int?cs1?=?0,?cs2?=?0; void*?task(void*?args)?{ ????while(1) ????{ ????????if(cnt?>=?LOOP) ????????{ ????????????break; ????????} ????????cnt++; ????????if((int)args?==?1)?cs1?++;?else?cs2++; ????} ????return?NULL; } int?main()?{ ????pthread_t?tid1; ????pthread_t?tid2; ????/*?create?the?thread?*/ ????pthread_create(&tid1,?NULL,?task,?(void*)1); ????pthread_create(&tid2,?NULL,?task,?(void*)2); ????/*?wait?for?thread?to?exit?*/ ????pthread_join(tid1,?NULL); ????pthread_join(tid2,?NULL); ????printf("cnt?=?%d?cs1=%d?cs2=%d?total=%d ",?cnt,cs1,cs2,cs1+cs2); ????return?0; }
輸出：
cnt?=?1000000?cs1=958560?cs2=1520226?total=2478786
正確結果不應該是1000000嗎？為什么會出錯呢，我們可以從匯編角度來分析一下。
$>?g++?-E?test.c?-o?test.i $>?g++?-S?test.i?-o?test.s $>?vim?test.s ?? .file?"test.c" ??.globl??_cnt ??.bss ??.align?4 _cnt: ??.space?4 ??.text ??.globl??__Z5task1Pv ??.def??__Z5task1Pv;??.scl??2;??.type?32;?.endef __Z5task1Pv: ??...
我們可以看到一個簡單的cnt++，對應
movl??_cnt,?%eax addl??$1,?%eax movl??%eax,?_cnt
CPU先將cnt的值讀到寄存器eax中，然后將[eax] + 1，最后將eax的值返回到cnt中，這些操作不是**原子性質(atomic)**的，這就導致cnt被多個線程操作時，+1過程會被打斷。
加入mutex保護臨界資源
#include? #include? #define?LOOP?1000000 pthread_mutex_t?mutex; int?cnt?=?0; int?cs1?=?0,?cs2?=?0; void*?task(void*?args)?{ ????while(1) ????{ ????????pthread_mutex_lock(&mutex); ????????if(cnt?>=?LOOP) ????????{ ????????????pthread_mutex_unlock(&mutex); ????????????break; ????????} ????????cnt++; ????????pthread_mutex_unlock(&mutex); ????????if((int)args?==?1)?cs1?++;?else?cs2++; ????} ????return?NULL; } int?main()?{ ????pthread_mutex_init(&mutex?,?NULL); ????pthread_t?tid1; ????pthread_t?tid2; ????/*?create?the?thread?*/ ????pthread_create(&tid1,?NULL,?task,?(void*)1); ????pthread_create(&tid2,?NULL,?task,?(void*)2); ????/*?wait?for?thread?to?exit?*/ ????pthread_join(tid1,?NULL); ????pthread_join(tid2,?NULL); ????printf("cnt?=?%d?cs1=%d?cs2=%d?total=%d ",?cnt,cs1,cs2,cs1+cs2); ????return?0; } 輸出： cnt?=?1000000?cs1=517007?cs2=482993?total=1000000
