临界区的实现原理

转自：http://my.oschina.net/myspaceNUAA/blog/81244

关键部分概述：

用于具有多个线程的互斥锁访问。如果多个线程尝试同时访问关键部分，则在一个线程进入关键部分后，其他尝试访问的线程将被挂起，直到进入关键部分的线程离开。释放关键部分后，其他线程可以继续抢占它，以实现对关键部分的互斥访问。（关键部分一般为短代码段）
在WINDOWS在中，关键部分是应用层同步对象，而不是内核对象。并且关键部分被旋转抢占

临界区API：

关键部分的初始化和删除：

InitializeCriticalSection（） DeleteCriticalSection（）

关键部分的两个操作基元：

EnterCriticalSection（） LeaveCriticalSection（）

关键部分的数据结构：

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION { PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG DebugInfo; // // The following three fields control entering and exiting the critical // section for the resource //

LONG LockCount;
LONG RecursionCount;
HANDLE OwningThread;        // from the threads ClientId->UniqueThread
HANDLE LockSemaphore;
ULONG\_PTR SpinCount;        // force size on 64-bit systems when packed

} RTL_CRITICAL_SECTION, *PRTL_CRITICAL_SECTION;

_RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG数据结构

typedef struct _RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG { WORD Type; WORD CreatorBackTraceIndex; struct _RTL_CRITICAL_SECTION CriticalSection; LIST_ENTRY ProcessLocksList; DWORD EntryCount; DWORD ContentionCount; DWORD Flags; WORD CreatorBackTraceIndexHigh; WORD SpareWORD ; } RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG, PRTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG, RTL_RESOURCE_DEBUG, *PRTL_RESOURCE_DEBUG;

（代码来自VS2005 WINNT.h）

_RTL_CRITICAL_SECTION 各字段说明：

DebugInfo:指向要调试的数据，此结构的类型为RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG LockCount: 初始值-1如果结果大于或等于0，表示关键部分已被线程占用。 OwningThread: 当前拥有关键部分的线程 RecursionCount:所有者线程连续进入关键部分的次数 LockSemaphore: 内核对象句柄，用于通知操作系统关键部分当前处于空闲状态，用于唤醒因等待关键部分而挂起的线程

SpinCount:MSDN按如下方式解释此字段：

"On multiprocessor systems, if the critical section is unavailable, the calling thread will spin dwSpinCount times before performing a wait operation on a semaphore associated with the critical section. If the critical section becomes free during the spin operation, the calling thread avoids the wait operation."

在多处理器系统中，如果关键部分被占用，线程将旋转SpinCount第二次是获取关键部分，而不是通过阻塞和等待来获取关键部分。如果关键部分的空间正在旋转过程中，可以直接进入关键部分以减少等待时间（如果进入等待状态，则需要将用户状态切换到内核状态，成本很高）。主要思想是提高效率。下面，我们将分析什么是自旋。

临界区API实现过程

InitialzeCriticalSection

在初始化过程中，将对其进行测试CPU数量，如果CPU数量为1忙着等待是没有意义的。是SpinCount=0，
若CPU数量大于1，则设置SpinCount进入临界区时，将采用主动进入策略。

EnterCriticalSection

1. 如果关键部分尚未被占用，则会更新关键部分的数据结构，表示调用线程已获得访问关键部分的权限，然后返回。
2. 如果线程已经获得访问权限，并且EnterCriticalSection，更新线程获得访问权限的次数（即连续Enter次数）。
3. 如果关键部分已被其他线程占用，则当前线程 通过SpinCount控制繁忙等待时间SpinCount已经等于0如果没有获取到关键段对象，函数会直接通过关键段对象内部的事件对象等待（等待和唤醒涉及用户模式和内核模式的切换，这不是最优解，最好通过旋转进入关键段）。忙于等待通过以下方式实现LockCount实现原子读取和写入操作。

您可以在以下网站找到具体的汇编代码：来源：（ http://blog.csdn.net/joeleechj/article/details/7081124）

RtlLeaveCriticalSection

1. _RTL_CRITICAL_SECTION在数据结构中设置相关标志位 ，比如RecursionCount--，如果为0，表示没有线程占用关键部分
2. 将当前线程句柄设置为0，表示当前临界段处于信号状态，可以得到
3. 如果有其他线程在等待，请唤醒等待线程

CRITICAL_SECTION和CRITICAL_SECTION_DEBUG两者之间的关系
（ http://msdn.microsoft.com/zh-cn/magazine/cc164040(en-us).aspx）

通过这种数据结构可以发现，在这个过程中DEBUG信息通过链表连接。在已知的关键部分中
情况下， 通过链表数据结构，可以访问数据的关键部分对象。

自旋：

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用于关键部分（EnterCriticalSection）操作是主动进入关键部分。意思是，当没有办法进入时，不断主动尝试进入，直到进入为止。这种活动的进入方法称为旋转（也称为忙于等待）。
被动模式：如果无法获取，则进入等待队列。当释放待获取的对象时，系统会唤醒等待线程，称为被动模式。

小结：

1.进入灵区和离开关键部分是配对操作。进入关键部分必须离开关键部分，否则受关键部分保护的共享资源将永远不会释放。

2.使用关键部分时，关键部分使用的代码要短，以减少其他线程的等待时间，提高程序性能。

3.关键部分的同步速度非常快，但只能用于同步进程中的线程，不能用于同步多个进程中的线程。

4. 关键部分是用户模式下的对象，不是内核对象，因此使用时无需在用户模式和内核模式之间切换，效率明显高于其他互斥内核对象。

参考：

http://msdn.microsoft.com/zh-cn/magazine/cc164040(en-us).aspx

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