互斥锁的原理及作用

操作系统设计人员构建软件工具，以解决临界区问题，最简单的工具就是互斥锁（mutex lock）。我们采用互斥锁保护临界区，从而防止竞争条件。

也就是说，一个进程在进入临界区时应得到锁；它在退出临界区时释放锁。函数 acquire() 获取锁，而函数 release() 释放锁，见图 1 。

图 1 采用互斥锁的临界区问题的解答

每个互斥锁有一个布尔变量 available，它的值表示锁是否可用。如果锁是可用的，那么调用 acquire() 会成功，并且锁不再可用。当一个进程试图获取不可用的锁时，它会阻塞，直到锁被释放。

按如下定义 acquire()：

acquire() {
    while (!available)
    ;/* busy wait */
    available = false;;
}

按如下定义release()：

release() {
    available = true;
}

这里所给实现的主要缺点是，它需要忙等待（busy waiting）。当有一个进程在临界区中，任何其他进程在进入临界区时必须连续循环地调用 acquire()。其实，这种类型的互斥锁也被称为自旋锁，因为进程不停地旋转，以等待锁变得可用。在实际多道程序系统中，即当多个进程共享同一 cpu 时，这种连续循环显然是个问题。忙等待浪费 cpu 周期，而这原本可以有效用于其他进程。

不过，自旋锁确实有一个优点，当进程在等待锁时，没有上下文切换（上下文切换可能需要相当长的时间）。因此，当使用锁的时间较短时，自旋锁还是有用的。自旋锁通常用于多处理器系统，一个线程可以在一个处理器上“旋转”，而其他线程在其他处理器上执行临界区。