锁机制

本节导读

到目前为止，我们已经实现了进程和线程，也能够理解在一个时间段内，会有多个线程在执行，这就是并发。 而且，由于线程的引入，多个线程可以共享进程中的全局数据。如果多个线程都想读和更新全局数据， 那么谁先更新取决于操作系统内核的抢占式调度和分派策略。在一般情况下，每个线程都有可能先执行， 且可能由于中断等因素，随时被操作系统打断其执行，而切换到另外一个线程运行， 形成在一段时间内，多个线程交替执行的现象。如果没有一些保障机制（比如互斥、同步等）， 那么这些对共享数据进行读写的交替执行的线程，其期望的共享数据的正确结果可能无法达到。

所以，我们需要研究一种保障机制 — 锁 ，确保无论操作系统如何抢占线程，调度和切换线程的执行， 都可以保证对拥有锁的线程，可以独占地对共享数据进行读写，从而能够得到正确的共享数据结果。 这种机制的能力来自于处理器的指令、操作系统系统调用的基本支持，从而能够保证线程间互斥地读写共享数据。 下面各个小节将从为什么需要锁、锁的基本思路、锁的不同实现方式等逐步展开讲解。

为什么需要锁

上一小节已经提到，没有保障机制的多个线程，在对共享数据进行读写的过程中，可能得不到预期的结果。 我们来看看这个简单的例子：

1// 线程的入口函数
2int a=0;
3void f() {
4  a = a + 1;
5}

对于上述函数中的第 4 行代码，一般人理解处理器会一次就执行完这条简单的语句，但实际情况并不是这样。 我们可以用 GCC 编译出上述函数的汇编码：

1$ riscv64-unknown-elf-gcc -o f.s -S f.c

可以看到生成的汇编代码如下：

 1//f.s
 2  .text
 3  .globl    a
 4  .section  .sbss,"aw",@nobits
 5  .align    2
 6  .type     a, @object
 7  .size     a, 4
 8a:
 9  .zero     4
10  .text
11  .align    1
12  .globl    f
13  .type     f, @function
14f:
15  addi      sp,sp,-16
16  sd        s0,8(sp)
17  addi      s0,sp,16
18  lui       a5,%hi(a)
19  lw        a5,%lo(a)(a5)
20  addiw     a5,a5,1
21  sext.w    a4,a5
22  lui       a5,%hi(a)
23  sw        a4,%lo(a)(a5)
24  nop
25  ld        s0,8(sp)
26  addi      sp,sp,16
27  jr        ra

从中可以看出，对于高级语言的一条简单语句（C 代码的第 4 行，对全局变量进行读写），很可能是由多条汇编代码 （汇编代码的第 18~23 行）组成。如果这个函数是多个线程要执行的函数，那么在上述汇编代码第 18 行到第 23 行中的各行之间，可能会发生中断，从而导致操作系统执行抢占式的线程调度和切换， 就会得到不一样的结果。由于执行这段汇编代码（第 18~23 行））的多个线程在访问全局变量过程中可能导致竞争状态， 因此我们将此段代码称为临界区（critical section）。临界区是访问共享变量（或共享资源）的代码片段， 不能由多个线程同时执行，即需要保证互斥。

下面是有两个线程T0、T1在一个时间段内的一种可能的执行情况：

时间

T0

T1

OS

共享变量a

寄存器a5

1

L18

–

–

0

a的高位地址

2

–

–

切换

0

0

3

–

L18

–

0

a的高位地址

4

L20

–

–

0

1

5

–

–

切换

0

a的高位地址

6

–

L20

–

0

1

7

–

–

切换

0

1

8

L23

–

–

1

1

9

–

–

切换

1

1

10

–

L23

–

1

1

一般情况下，线程 T0 执行完毕后，再执行线程 T1，那么共享全局变量 a 的值为 2 。但在上面的执行过程中， 可以看到在线程执行指令的过程中会发生线程切换，这样在时刻 10 的时候，共享全局变量 a 的值为 1 ， 这不是我们预期的结果。出现这种情况的原因是两个线程在操作系统的调度下（在哪个时刻调度具有不确定性）， 交错执行 a = a + 1 的不同汇编指令序列，导致虽然增加全局变量 a 的代码被执行了两次， 但结果还是只增加了 1 。这种多线程的最终执行结果不确定（indeterminate），取决于由于调度导致的、 不确定指令执行序列的情况就是竞态条件（race condition）。

如果每个线程在执行 a = a + 1 这个 C 语句所对应多条汇编语句过程中，不会被操作系统切换， 那么就不会出现多个线程交叉读写全局变量的情况，也就不会出现结果不确定的问题了。

所以，访问（特指写操作）共享变量代码片段，不能由多个线程同时执行（即并行）或者在一个时间段内都去执行 （即并发）。要做到这一点，需要互斥机制的保障。从某种角度上看，这种互斥性也是一种原子性， 即线程在临界区的执行过程中，不会出现只执行了一部分，就被打断并切换到其他线程执行的情况。即， 要么线程执行的这一系列操作/指令都完成，要么这一系列操作/指令都不做，不会出现指令序列执行中被打断的情况。

锁的基本思路

要保证多线程并发执行中的临界区的代码具有互斥性或原子性，我们可以建立一种锁， 只有拿到锁的线程才能在临界区中执行。这里的锁与现实生活中的锁的含义很类似。比如，我们可以写出如下的伪代码：

1lock(mutex);    // 尝试取锁
2a = a + 1;      // 临界区，访问临界资源 a
3unlock(mutex);  // 是否锁
4...             // 剩余区

对于一个应用程序而言，它的执行是受到其执行环境的管理和限制的，而执行环境的主要组成就是用户态的系统库、 操作系统和更底层的处理器，这说明我们需要有硬件和操作系统来对互斥进行支持。一个自然的想法是，这个 lock/unlock 互斥操作就是CPU提供的机器指令，那上面这一段程序就很容易在计算机上执行了。 但需要注意，这里互斥的对象是线程的临界区代码，而临界区代码可以访问各种共享变量（简称临界资源）。 只靠两条机器指令，难以识别各种共享变量，不太可能约束可能在临界区的各种指令执行共享变量操作的互斥性。 所以，我们还是需要有一些相对更灵活和复杂一点的方法，能够设置一种所有线程能看到的标记， 在一个能进入临界区的线程设置好这个标记后，其他线程都不能再进入临界区了。总体上看， 对临界区的访问过程分为四个部分：

  1. 尝试取锁: 查看锁是否可用，即临界区是否可访问（看占用临界区标志是否被设置），如果可以访问， 则设置占用临界区标志（锁不可用）并转到步骤 2 ，否则线程忙等或被阻塞;

  2. 临界区: 访问临界资源的系列操作

  3. 释放锁: 清除占用临界区标志（锁可用），如果有线程被阻塞，会唤醒阻塞线程；

  4. 剩余区: 与临界区不相关部分的代码

根据上面的步骤，可以看到锁机制有两种：让线程忙等的忙等锁（spin lock），以及让线程阻塞的睡眠锁 （sleep lock）。锁的实现大体上基于三类机制：用户态软件、机器指令硬件、内核态操作系统。 下面我们介绍来 rCore 中基于内核态操作系统级方法实现的支持互斥的锁。

我们还需要知道如何评价各种锁实现的效果。一般我们需要关注锁的三种属性：

  1. 互斥性（mutual exclusion），即锁是否能够有效阻止多个线程进入临界区，这是最基本的属性。

  2. 公平性（fairness），当锁可用时，每个竞争线程是否有公平的机会抢到锁。

  3. 性能（performance），即使用锁的时间开销。

内核态操作系统级方法实现锁 — mutex 系统调用

使用 mutex 系统调用

如何能够实现轻量的可睡眠锁？一个自然的想法就是，让等待锁的线程睡眠，让释放锁的线程显式地唤醒等待锁的线程。 如果有多个等待锁的线程，可以全部释放，让大家再次竞争锁；也可以只释放最早等待的那个线程。 这就需要更多的操作系统支持，特别是需要一个等待队列来保存等待锁的线程。

我们先看看多线程应用程序如何使用mutex系统调用的：

 1// user/src/bin/race_adder_mutex_blocking.rs
 2
 3static mut A: usize = 0;
 4...
 5unsafe fn f() -> ! {
 6    let mut t = 2usize;
 7    for _ in 0..PER_THREAD {
 8        mutex_lock(0);
 9        let a = &mut A as *mut usize;
10        let cur = a.read_volatile();
11        for _ in 0..500 { t = t * t % 10007; }
12        a.write_volatile(cur + 1);
13        mutex_unlock(0);
14    }
15    exit(t as i32)
16}
17
18#[no_mangle]
19pub fn main() -> i32 {
20    let start = get_time();
21    assert_eq!(mutex_blocking_create(), 0);
22    let mut v = Vec::new();
23    for _ in 0..THREAD_COUNT {
24        v.push(thread_create(f as usize, 0) as usize);
25    }
26    ...
27}
28
29// usr/src/syscall.rs
30
31pub fn sys_mutex_create(blocking: bool) -> isize {
32    syscall(SYSCALL_MUTEX_CREATE, [blocking as usize, 0, 0])
33}
34pub fn sys_mutex_lock(id: usize) -> isize {
35    syscall(SYSCALL_MUTEX_LOCK, [id, 0, 0])
36}
37pub fn sys_mutex_unlock(id: usize) -> isize {
38    syscall(SYSCALL_MUTEX_UNLOCK, [id, 0, 0])
39}

  • 第21行，创建了一个ID为 0 的互斥锁，对应的是第32行 SYSCALL_MUTEX_CREATE 系统调用；

  • 第8行，尝试获取锁（对应的是第35行 SYSCALL_MUTEX_LOCK 系统调用），如果取得锁， 将继续向下执行临界区代码；如果没有取得锁，将阻塞；

  • 第13行，释放锁（对应的是第38行 SYSCALL_MUTEX_UNLOCK 系统调用），如果有等待在该锁上的线程， 则唤醒这些等待线程。

mutex 系统调用的实现

操作系统如何实现这些系统调用呢？首先考虑一下与此相关的核心数据结构， 然后考虑与数据结构相关的相关函数/方法的实现。

在线程的眼里， 互斥 是一种每个线程能看到的资源，且在一个进程中，可以存在多个不同互斥资源， 所以我们可以把所有的互斥资源放在一起让进程来管理，如下面代码第 9 行所示。这里需要注意的是： mutex_list: Vec<Option<Arc<dyn Mutex>>> 表示的是实现了 Mutex trait 的一个“互斥资源”的向量。而 MutexBlocking 是会实现 Mutex trait 的内核数据结构，它就是我们提到的 互斥资源 即 互斥锁 。操作系统需要显式地施加某种控制，来确定当一个线程释放锁时，等待的线程谁将能抢到锁。 为了做到这一点，操作系统需要有一个等待队列来保存等待锁的线程，如下面代码的第 20 行所示。

 1pub struct ProcessControlBlock {
 2    // immutable
 3    pub pid: PidHandle,
 4    // mutable
 5    inner: UPSafeCell<ProcessControlBlockInner>,
 6}
 7pub struct ProcessControlBlockInner {
 8    ...
 9    pub mutex_list: Vec<Option<Arc<dyn Mutex>>>,
10}
11pub trait Mutex: Sync + Send {
12    fn lock(&self);
13    fn unlock(&self);
14}
15pub struct MutexBlocking {
16    inner: UPSafeCell<MutexBlockingInner>,
17}
18pub struct MutexBlockingInner {
19    locked: bool,
20    wait_queue: VecDeque<Arc<TaskControlBlock>>,
21}

这样，在操作系统中，需要设计实现三个核心成员变量。互斥锁的成员变量有两个：表示是否锁上的 locked 和管理等待线程的等待队列 wait_queue；进程的成员变量：锁向量 mutex_list 。

首先需要创建一个互斥锁，下面是应对 SYSCALL_MUTEX_CREATE 系统调用的创建互斥锁的函数：

 1// os/src/syscall/sync.rs
 2pub fn sys_mutex_create(blocking: bool) -> isize {
 3    let process = current_process();
 4    let mut process_inner = process.inner_exclusive_access();
 5    if let Some(id) = process_inner
 6        .mutex_list
 7        .iter()
 8        .enumerate()
 9        .find(|(_, item)| item.is_none())
10        .map(|(id, _)| id) {
11        process_inner.mutex_list[id] = if !blocking {
12            Some(Arc::new(MutexSpin::new()))
13        } else {
14            Some(Arc::new(MutexBlocking::new()))
15        };
16        id as isize
17    } else {
18        process_inner.mutex_list.push(Some(Arc::new(MutexSpin::new())));
19        process_inner.mutex_list.len() as isize - 1
20    }
21}

  • 第 14 行，如果向量中有空的元素，就在这个空元素的位置创建一个可睡眠的互斥锁；

  • 第 18 行，如果向量满了，就在向量中添加新的可睡眠的互斥锁；

有了互斥锁，接下来就是实现 Mutex trait的内核函数：对应 SYSCALL_MUTEX_LOCK 系统调用的 sys_mutex_lock 。操作系统主要工作是，在锁已被其他线程获取的情况下，把当前线程放到等待队列中， 并调度一个新线程执行。主要代码如下：

 1// os/src/syscall/sync.rs
 2pub fn sys_mutex_lock(mutex_id: usize) -> isize {
 3    let process = current_process();
 4    let process_inner = process.inner_exclusive_access();
 5    let mutex = Arc::clone(process_inner.mutex_list[mutex_id].as_ref().unwrap());
 6    drop(process_inner);
 7    drop(process);
 8    mutex.lock();
 9    0
10}
11
12// os/src/sync/mutex.rs
13impl Mutex for MutexBlocking {
14    fn lock(&self) {
15        let mut mutex_inner = self.inner.exclusive_access();
16        if mutex_inner.locked {
17            mutex_inner.wait_queue.push_back(current_task().unwrap());
18            drop(mutex_inner);
19            block_current_and_run_next();
20        } else {
21            mutex_inner.locked = true;
22        }
23    }
24}

  • 第 8 行，调用 ID 为 mutex_id 的互斥锁 mutex 的 lock 方法，具体工作由该方法来完成。

  • 第 16 行，如果互斥锁 mutex 已经被其他线程获取了，那么在第 17 行，将把当前线程放入等待队列中; 在第 19 行，让当前线程处于等待状态，并调度其他线程执行。

  • 第 21 行，如果互斥锁 mutex 还没被获取，那么当前线程会获取给互斥锁，并返回系统调用。

最后是实现 Mutex trait 的内核函数：对应 SYSCALL_MUTEX_UNLOCK 系统调用的 sys_mutex_unlock 。 操作系统的主要工作是，如果有等待在这个互斥锁上的线程，需要唤醒最早等待的线程。主要代码如下：

 1// os/src/syscall/sync.rs
 2pub fn sys_mutex_unlock(mutex_id: usize) -> isize {
 3    let process = current_process();
 4    let process_inner = process.inner_exclusive_access();
 5    let mutex = Arc::clone(process_inner.mutex_list[mutex_id].as_ref().unwrap());
 6    drop(process_inner);
 7    drop(process);
 8    mutex.unlock();
 9    0
10}
11
12// os/src/sync/mutex.rs
13impl Mutex for MutexBlocking {
14    fn unlock(&self) {
15        let mut mutex_inner = self.inner.exclusive_access();
16        assert!(mutex_inner.locked);
17        if let Some(waking_task) = mutex_inner.wait_queue.pop_front() {
18            add_task(waking_task);
19        } else {
20            mutex_inner.locked = false;
21        }
22    }
23}

  • 第 8 行，调用 ID 为 mutex_id 的互斥锁 mutex 的 unlock 方法，具体工作由该方法来完成的。

  • 第 17-18 行，如果有等待的线程，唤醒等待最久的那个线程，相当于将锁的所有权移交给该线程。

  • 第 20 行，若没有线程等待，则释放锁。