一文搞懂Linux线程同步原理

大家好，今天和大家聊一聊Linux线程同步相关的知识，线程同步相关的知识值得花时间好好研究，要设计出高性能软件架构，必须学好Linux线程同步，对Linux线程同步原理有深刻的认知。

1.背景知识

1.1 原子变量和原子操作

原子变量和原子操作是多线程编程中的重要概念，用于保证多线程环境下的数据同步和互斥。原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，一旦开始就会一直运行到结束，中间不会切换到其他进程。原子变量是原子操作的基本单位。

C11标准引入了原子类型和原子操作，用于在多线程环境下保证数据的同步和一致性。

常见原子变量类型：

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常见原子操作：

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1.2 futex系统调用

futex是Linux内核提供的一种系统调用，用于实现用户空间线程之间的同步和互斥。它是fast userspace mutex的缩写，意为快速用户空间互斥锁。futex的主要作用是在用户空间实现锁和条件变量，避免了用户空间和内核空间之间的频繁切换，从而提高了多线程程序的性能。

futex系统调用的基本用法是：

一个线程在需要锁或等待条件变量时，调用futex系统调用，将自己挂起。

另一个线程在释放锁或改变条件变量时，调用futex系统调用，唤醒等待的线程。

1.2.1 futex函数原型

int futex(int *uaddr, int futex_op, int val, const struct timespec *timeout, int *uaddr2, int val3);

功能：futex函数是Linux内核提供的一种轻量级的锁机制，它可以用于用户空间进程间的同步。

参数：

uaddr：指向等待的变量的指针。

futex_op：表示要执行的操作，可以是以下值之一：

• FUTEX_WAIT：等待变量的值变为指定值。
• FUTEX_WAKE：唤醒等待变量的线程。

val：与操作相关的值。

timeout：超时时间。

uaddr2：第二个等待变量的指针。

val3：与第二个等待变量相关的值。

1.2.2  futex实现原理

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通过futex系统调用执行FUTEX_WAIT命令，可以将线程挂起，futex传入的uaddr参数会通过hash函数转换成hash值，通过hash值能索引到futex_hash_bucket，此时会创建futex_q节点，futex_q节点会存储哈希key，线程相关信息，futex_q节点会插入chain链表。

通过futex系统调用执行FUTEX_WAKE命令可唤醒挂起线程，futex系统调用通过uaddr参数找到对应的futex_q节点，然后唤醒futex_q节点指向的挂起线程。

2.线程为什么需要同步？

Linux线程是在Linux操作系统中实现的一种轻量级进程，也称为轻量级进程或者LWP。同一线程组的线程共享主线程（进程）的地址空间、文件描述符、信号处理等资源。

在Linux中，CPU的调度是以线程为单位进行调度的，因此线程的调度也是以线程为单位进行调度的。

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由于线程之间共享地址空间，文件描述，信号相关资源，所以线程之间必然会存在同时访问同一资源的问题，如果不进行线程同步，就会导致数据的不一致性和安全性问题。同步可以保证在同一时刻只有一个线程访问共享资源，从而避免了数据的冲突和错误。

3. 互斥锁实现原理

互斥锁的实现视基于原子操作和futex系统调用实现。

3.1 互斥锁常见操作

• 创建互斥锁

pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

• 加锁

pthread_mutex_lock(&mutex);

• 解锁

pthread_mutex_unlock(&mutex);

• 尝试加锁

pthread_mutex_trylock(&mutex);

• 销毁互斥锁

pthread_mutex_destroy(&mutex);

3.2 互斥锁实现原理

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互斥锁本质是一个原子变量，原子变量同样是一个共享变量，不同的线程都能访问，只不过原子变量采用的是原子操作，互斥锁的操作不可被中断。

1）互斥锁初始化

将原子变量设置成0，原子变量不同的值代表锁不同的状态：

• 原子变量等于0：互斥锁空闲，未加锁。
• 原子变量等于1：互斥锁加锁成功。
• 原子变量等于2：互斥锁加锁失败，线程通过futex(FUTEX_WAIT)系统调用被挂起。

2）互斥锁加锁

• 通过atomic_compare_exchange_strong(value, 0, 1)原子操作，判断当前互斥锁是否已经被加锁，如果原子变量等于0，说明互斥锁空闲，此时可以对互斥锁进行加锁操作，将原子变量设置为1，返回true。
• 如果原子变量不等于0，则说明互斥锁已经加锁，此时互斥锁加锁线程需要通过futex(FUTEX_WAIT)系统调用将线程挂起，挂起之前需要通过atomic_exchange(value, 2)设置原子变量的值为2，并返回旧原子变量值，通过旧原子变量值可以判断原子变量是否被其他线程操作。

3）互斥锁解锁

• 线程通过atomic_exchange(value, 0)原子操作，将原子变量的值设置成0，返回旧原子变量值。
• 如果旧原子变量的值等于2，说明有一个线程被挂起，此时需要通过futex(FUTEX_WAKE)系统调用唤醒挂起线程，解锁成功。
• 如果旧原子变量小于等于1，则直接解锁成功。

总结：

互斥锁虽然有很多优点，能够很方便的进行线程同步，但是互斥锁是通过futex系统调用实现，采用系统调用必然存在用户态和内核态的切换问题，如果这种切换很频繁的话，必然会影响系统性能和降低系统效率，后续我们将继续探索更为高效的线程同步方式。

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