面试题：并发与同步：互斥锁在操作系统内核中的实现剖析

Question

深入探讨在操作系统内核层面，互斥锁是如何实现的。包括涉及到的底层数据结构、硬件指令（如原子操作指令）的运用，以及如何处理中断和上下文切换对互斥锁机制的影响等方面。

Answer 1

底层数据结构

1. 基本标志位：最简单的形式是使用一个布尔值作为标志位。例如，0 表示锁未被持有，1 表示锁已被持有。但这种简单结构在多处理器环境下存在竞争问题，所以实际中会结合其他机制。
2. 等待队列：当一个线程尝试获取已被持有的互斥锁时，它需要进入等待状态。操作系统通常会维护一个等待队列，将这些等待的线程节点加入队列中。例如，Linux 内核使用双向链表来实现等待队列，每个等待线程对应一个队列节点，节点中包含线程的相关信息。

硬件指令运用 - 原子操作指令

1. 测试并设置（Test-and-Set）：该指令会原子性地读取一个内存位置的值，然后将其设置为 1。例如，在 x86 架构中，有 xchg 指令可以实现类似功能。假设互斥锁用一个内存地址表示，初始值为 0。当一个线程执行 xchg 指令时，它会原子性地将互斥锁地址的值与 1 交换，并返回旧值。如果返回旧值为 0，说明成功获取锁；如果返回旧值为 1，说明锁已被持有。
2. 比较并交换（Compare-and-Swap，CAS）：CAS 指令需要三个操作数，内存位置（目标地址）、预期值和新值。它会原子性地比较目标地址中的值与预期值，如果相等则将目标地址的值更新为新值，并返回成功；否则不更新并返回失败。在互斥锁场景下，预期值为 0（未持有锁），新值为 1（持有锁）。如果比较并交换成功，说明获取锁成功。

处理中断和上下文切换对互斥锁机制的影响

1. 中断处理
   • 中断屏蔽：在获取和释放互斥锁的关键代码段，可以屏蔽中断。例如，在 x86 架构中，可以通过 cli 指令关闭中断，在操作完成后使用 sti 指令重新开启中断。这样做可以防止中断处理程序在关键代码段执行过程中抢占 CPU，避免破坏互斥锁的状态。
   • 中断安全设计：即使在中断处理程序中，也需要遵循互斥锁的规则。如果中断处理程序可能访问共享资源，它也需要获取相应的互斥锁。但是要注意，中断处理程序不能长时间持有锁，以免影响系统响应性。
2. 上下文切换
   • 内核调度机制：当一个线程持有互斥锁时，可能会因为时间片耗尽、更高优先级线程到来等原因发生上下文切换。操作系统内核调度器需要确保在上下文切换时，互斥锁的状态能被正确保存和恢复。
   • 自旋锁与睡眠锁：自旋锁适用于锁持有时间较短的场景，持有自旋锁的线程在上下文切换时，其他线程会在原地自旋等待锁释放。而睡眠锁适用于锁持有时间较长的场景，当线程获取不到睡眠锁时会进入睡眠状态，让出 CPU，调度器会调度其他线程执行。这样可以避免线程在长时间等待锁时浪费 CPU 资源。