面试问:你是如何编写互斥锁的

InterviewQ: How do you code a mutex?

本文关键字：何编写 面试      更新时间：2023-10-16

我很不幸失业了，最近一直在面试。我现在两次面对同样的问题，两次被问到这个问题时都不知所措。

"如何编写互斥体代码"？

从概念上讲，我理解互斥锁锁定代码的某个部分，这样多个线程就不能同时进入关键部分，从而消除了数据竞争。第一次我被要求从概念上描述我将如何编码，第二次我被问到如何编码。我一直在谷歌上搜索，但没有找到任何答案。。。有人能帮忙吗？

谢谢。

有很多方法可以实现互斥锁，但它通常从cpu架构提供原子加和核减的一些概念这一基本前提开始。也就是说，可以对内存中的整数变量执行加法运算(并返回结果)，而不会被另一个试图访问相同内存位置的线程破坏。或者至少是"原子增量"answers"原子减量"。

例如，在现代的英特尔芯片上，有一种叫做XADD的指令。当与LOCK前缀结合使用时，它会自动执行，并使其他内核中的缓存值无效。gcc为这个指令实现了一个名为__sync_add_and_fetch的包装器。Win32实现了一个类似的函数InterlockedIncrement。两者都只是在暗中呼叫LOCK XADD。其他CPU架构应该提供类似的功能。

因此，最基本的互斥锁可以这样实现。这通常被称为"旋转"锁。而且这个廉价的版本不提供递归进入锁的能力。

// A correct, but poorly performant mutex implementation
void EnterLock(int* lock)
{
while (true)
{
int result = LOCK_XADD(lock,1); // increment the value in lock and return the result atomically
if (result == 1)
{
// if the value in lock was successfully incremented 
// from 0 to 1 by this thread. It means this thread "acquired" the lock
return;
}
LOCK XADD(lock,-1); // we didn't get the lock - decrement it atmoically back to what it was
sleep(0); // give the thread quantum back before trying again
}
}
void LeaveLock(int* lock)
{
LOCK XADD(lock,-1); // release the lock. Assumes we successfully acquired it correctly with EnterLock above
}

以上内容的"旋转"性能较差，无法保证任何公平性。优先级较高的线程可以继续赢得EnterLock对优先级较低的线程的争夺。程序员可能会犯错误，用以前没有调用EnterLock的线程调用LeaveLock。您可以扩展以上内容，以便对一个数据结构进行操作，该数据结构不仅包括锁整数，而且还保留了所有者线程id和递归计数的记录。

实现互斥的第二个概念是，操作系统可以提供一个等待和通知服务，这样线程在所有者线程释放它之前就不必旋转。等待锁定的线程或进程可以向操作系统注册自己，使其进入睡眠状态，直到所有者线程释放为止。用操作系统的术语来说，这被称为信号量。此外，操作系统级别的信号量还可以用于实现不同进程之间的锁定，以及CPU不提供原子添加的情况。并且可以用于保证试图获取锁的多个线程之间的公平性。

大多数实现都会尝试旋转多次，然后再返回到进行系统调用。

我不会说这是一个愚蠢的问题。在职位的任何抽象层面上。在高级上，您只需说，您使用标准库或任何线程库。如果你申请编译器开发人员的职位，你需要了解它是如何实际工作的，以及实现需要什么。

要实现互斥，您需要一个锁定机制，也就是说，您需要有一个可以标记为跨所有线程占用的资源。这不是小事。您需要记住，两个核心共享内存，但它们有缓存。这条信息必须保证是真实的。因此，您确实需要对硬件的支持来确保原子性。

如果你研究clang的实现，他们(至少在一次情况下)将实现卸载到pthreads，线程支持中的typedefs：

#if defined(_LIBCPP_HAS_THREAD_API_PTHREAD)
# include <pthread.h>
# include <sched.h>
#elif defined(_LIBCPP_HAS_THREAD_API_WIN32)
#include <Windows.h>
#include <process.h>
#include <fibersapi.h>
#endif

若您深入研究pthreads-reo，您可以找到互锁操作的asm实现。它们依赖于使操作原子化的lockasm关键字，即没有其他线程可以同时执行它们。这消除了比赛条件，并保证了连贯性。

基于此，您可以构建一个lock，用于mutex实现。

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