面试题：并发与同步：互斥锁在操作系统中的常见应用场景及原理

Question

请阐述在操作系统中，互斥锁通常用于哪些并发场景？并详细说明互斥锁实现同步的基本原理，例如如何保证同一时间只有一个线程能访问临界区。

Answer 1

互斥锁适用的并发场景

1. 资源共享场景：当多个线程需要访问共享资源（如共享内存、文件等）时，使用互斥锁来确保在同一时间只有一个线程能够对其进行访问，防止数据竞争和不一致。例如，多个线程同时对一个全局变量进行读写操作，如果不加以控制，可能导致数据错误。
2. 临界区保护：临界区是指程序中访问共享资源的代码段。互斥锁用于保护临界区，避免多个线程同时进入临界区，确保程序的正确性。例如，在多线程的数据库操作中，对数据库连接池的获取和释放操作属于临界区，使用互斥锁来保证每次只有一个线程能获取或释放连接。
3. 线程安全的数据结构操作：对于一些线程安全的数据结构（如线程安全的队列、栈等），在实现其插入、删除等操作时，使用互斥锁来保证同一时间只有一个线程能够修改数据结构，避免出现数据混乱。

互斥锁实现同步的基本原理

1. 状态标识：互斥锁通常有一个状态标识，用于表示当前锁是被持有（locked）还是可用（unlocked）。初始状态下，锁处于可用状态。
2. 获取锁操作：当一个线程试图进入临界区时，它会尝试获取互斥锁。如果锁当前处于可用状态（unlocked），则线程将锁的状态设置为被持有（locked），然后该线程可以进入临界区。如果锁当前处于被持有状态（locked），则线程会被阻塞，直到锁被释放。
3. 释放锁操作：当线程完成对临界区的访问后，它会释放互斥锁，即将锁的状态从被持有（locked）设置为可用（unlocked）。此时，等待获取该锁的其他线程中的一个会被唤醒并尝试获取锁，从而进入临界区。
4. 原子操作：为了保证互斥锁状态的修改是原子性的（即不会被其他线程干扰），操作系统通常会使用硬件指令（如测试并设置指令、比较并交换指令等）来实现获取锁和释放锁的操作。这些原子操作能够确保在多处理器环境下，互斥锁的状态修改也是正确和一致的，进而保证同一时间只有一个线程能访问临界区。