临界区与原子操作
复习
- 线程与并发：一个进程内可以有多条共享内存的执行线
- 进程间通信：进程之间靠管道、消息、信号或共享内存交换数据
- 程序竞争：多条执行线同时读写共享数据，可能互相干扰
TL;DR
- 临界区：一段访问共享数据的代码，同一时刻只允许一个执行线进入
- 原子操作：硬件保证“不可被中途打断”的操作
- 保证“同一时刻只有一个进入临界区”，叫互斥（mutual exclusion）
- 用原子操作，可以搭出实现互斥的锁
正文
上一章我们看到，加一被拆成读、改、写三步，两条执行线一交错，就丢数据。要根治，得划出一条界线：某段代码，同一时刻只许一个人进。
临界区
这段“必须独占”的代码，叫临界区（critical section）。它通常正是那些访问共享数据的代码，比如“读—改—写某个全局变量”。
我们要的规矩只有一条：同一时刻，最多只有一个执行线在临界区里。 这条规矩叫互斥（mutual exclusion）。其余的线程要么在门口等，要么先去做别的事。
线程 A：│ 进入临界区 │ 执行 │ 离开 │
线程 B： │ 进入临界区 │ 执行 │ 离开 │
只要这条规矩守住，临界区里的“读—改—写”就再也不会被插入，丢失更新也就不发生了。
原子操作
可“划出临界区”本身，也需要一个不含糊的工具。这正是原子操作（atomic operation）的用武之地。
原子操作由硬件提供，一旦开始就保证一口气做完，中间绝不会被别的执行线插进来——要么没做，要么全做完，没有“做了一半”的状态。
常见的原子操作有：
- 交换：把寄存器和内存里的值对调
- 测试并设置：读出旧值，同时把它设成 1
- 比较并交换：只有当内存里的值等于预期时，才把它换成新值
它们看似简单，却是搭所有同步工具的“地基”。
用原子操作搭一把锁
有了原子操作，实现互斥就有了思路。以“测试并设置”为例，我们可以用一个标志位表示锁：
- 想进临界区，就“测试并设置”这个标志位
- 如果测出来的旧值是 0（没人占），就说明抢到了锁，可以进去
- 如果旧值是 1（已被占），说明别人正拿着，只能等
因为整个“测试 + 设置”是一步原子操作，两个线程不可能同时抢到——总有一个先拿到，另一个只能看到 1。
抢到锁的一方进入临界区，办完事再把标志位设回 0，放别人进来。如此，临界区就被稳稳地保护起来了。
忙等的代价
上面这种“拿不到就反复重试”的等待方式，叫忙等（busy waiting）：线程一直占着 CPU 空转。
能拿到就还好，可如果锁被占很久，忙等就纯属浪费。怎样等得更聪明？下一章，我们把这套机制封装成一个好用的接口——互斥锁，并讨论它该怎样等待。
思考题
“测试并设置”为什么必须是原子操作？如果把它拆成“先测试、再设置”两步，两个线程同时想抢锁，会发生什么？
小结
知识点
- 临界区：访问共享数据、必须独占执行的代码
- 互斥：同一时刻只有一个执行线在临界区
- 原子操作：硬件保证不可打断，常见有交换、测试并设置、比较并交换
- 用原子操作可以搭出锁
参考资料
- Wikipedia(zh)：临界区：critical section
- Wikipedia(zh)：互斥锁：mutex
- Wikipedia(zh)：原子操作：atomic operation
思考题答案（仅供参考）
如果拆成两步，两个线程可能都先“测试”，都看到标志位是 0，都以为没人占，于是都去“设置”并进入临界区——互斥就破了。把“测试并设置”合成一步原子操作，硬件保证同一时刻只有一个线程完成它，两个线程必然分成先后：先完成的抢到锁，后完成的看到 1，只能等。所以原子性是这条防线成立的关键。
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设计师 | 南国微雪