互斥锁mutex的简单实现

mutex一般用于为一段代码加锁，以保证这段代码的原子性（atomic）操作，即：要么不执行这段代码，要么将这段代码全部执行完毕。

例如，最简单的并发冲突问题就是一个变量自增1：

balance = balance + 1;

表面看这是一条语句，可是在背后的汇编中我们可以看到，指令集操作过程中会引入中间变量来保存右边的值，进而这个操作至少会被扩充为：

int tmp = balance + 1;
balance = tmp;

这就需要一把互斥锁（mutual exclusive, mutex）将这段代码给锁住，使其达到任何一个线程“要么全部执行上述代码，要么不执行这段代码”的效果。这个用法可以表示为：

lock_t mutex;
...
lock(&mutex)
    balance = balance + 1;
unlock(&mutex);

那么，一个自然的问题便是，我如何实现上面的这个lock()函数呢？

乍一看这个问题是非常复杂的，特别是考虑到它能够被适用于各种代码的各种情况。但经过各种简化，这个lock()实现，可以通过几个test和set的组合得以实现。

例如，

typedef struct __lock_t { int flag; } lock_t;

void init(lock_t *mutex) {
    // 0: lock is available
    // 1: lock is held
    mutex->flag = 0;
}

void lock(lock_t *mutex) {
    while (mutex->flag == 1) {  // Test the flag.
        ;    // Wait the lock
    mutex->flag = 1;  // Set the lock, i.e. start to hold lock
}

void unlock(lock_t *mutex) {
    mutex->flag = 0;
}

我第一次看到这个算法的时候非常惊讶，一个本来极其复杂的问题就这么优雅地被解决了。它仅仅涉及到对条件的检验和变量的复制，然后整个问题就这么轻而易举地被攻破了。

当然，我并没能看到上述代码的“坑”，也即是必须依靠指令集级别的支持才能真正做到atomic。这同样说明了并发程序的困难，稍微不注意便会调入一个万劫不复的坑里，并且你还不知道哪里出错了。

上述极端优雅的代码，有一个隐藏的坑，那便是在lock()函数的实现里，while循环那一段其实是可以被乱入的。

假设thread A是第一个运行到此的线程，那么它得到的mutex->flag就肯定是0，于是它继续跳出循环往下运行，希望通过下面的mutex->flag = 1来持有锁，使得其它线程在检测while循环时为真，进而进入循环的等待状态。

可如果在A执行到这个赋值为1的语句之前，又有另外一个thread B运行到了这个while循环部分，由于mutex->flag还未被赋值为1，B同样可以跳出while，从而跟A一样拿到这把锁！这就出现了冲突。

那怎么办呢？仔细后可以发现，其实关键问题就在于：

• 对mutex->flag的检测
• 对mutex->flag的赋值

这两个操作必须是不被干扰的，也就是它必须是atomic的，要么这两段代码不被执行，要么这两段代码被不中断地完整执行。

这就需要借助CPU指令集的帮助，来保证上述两条语句的atomic操作，也即是著名的TestAndSet()操作。

int TestAndSet(int *ptr, int new) {
    int old = *ptr;
    *ptr = new;
    return old;
}

CPU的指令集，并不需要支持繁复的各种atomic操作。仅仅支持上面这个函数，各种互斥加锁的情形，便都能够被涵盖。

此时，在回到我们最开始的那个优雅的lock()实现，就可以将其改造为：

typedef struct __lock_t { int flag; } lock_t;

void init(lock_t *lock) {
    // 0: lock is available
    // 1: lock is held
    mutex->flag = 0;
}

void lock(lock_t *mutex) {
    while (TestAndSet(&lock_t->flag, 1) == 1) {
        ;
}

void unlock(lock_t *lock) {
    lock->flag = 0;
}

上述代码极其精巧。乍一看在lock()实现里不是还缺少一行mutex->flag = 1;么？可其实呢，它已经被整合到了TestAndSet()函数中。

这样的支持TestAndSet()的实现，便是最简单的spin lock，弹簧锁。之所以叫弹簧锁，那是因为在各类锁当中，弹簧锁就是最初的被投入工业使用的最简单的实现技术。