互斥锁和临界区有什么区别？

Question

请从Linux、Windows的角度解释一下？

我正在用 C# 编程，这两个术语会有所不同吗？请尽可能多地发布，并附上示例等......

谢谢

Answer 1

如果 C 函数仅使用其实际参数，则称为可重入。

可重入函数可以被多个线程同时调用。

可重入函数示例：

int reentrant_function (int a, int b)
{
   int c;

   c = a + b;

   return c;
}

不可重入函数示例：

int result;

void non_reentrant_function (int a, int b)
{
   int c;

   c = a + b;

   result = c;

}

C 标准库strtok() 不可重入，不能同时被 2 个或更多线程使用。

某些平台 SDK 带有 strtok() 的可重入版本，称为 strtok_r()；

Answer 2

Linux 中与关键选择相同的“快速”Windows 将是 futex，它代表快速用户空间互斥锁。 futex 和 mutex 之间的区别在于，使用 futex，内核仅在需要仲裁时才涉及，因此您可以节省每次修改原子计数器时与内核对话的开销。这 .. 可以节省 大量 在某些应用程序中协商锁定的时间。

futex 也可以在进程之间共享，使用共享互斥锁的方式。

不幸的是，futex 可以是very tricky to implement (PDF)。 （2018 年更新，它们并不像 2009 年那样可怕）。

除此之外，它在两个平台上几乎相同。您正在以一种（希望）不会导致饥饿的方式对共享结构进行原子的、令牌驱动的更新。剩下的只是实现它的方法。

Answer 3

互斥锁是一个线程可以获取的对象，防止其他线程获取它。这是建议性的，不是强制性的；线程可以使用互斥锁所代表的资源而不需要获取它。

临界区是操作系统保证不会被中断的一段代码。在伪代码中，它会是：

StartCriticalSection();
    DoSomethingImportant();
    DoSomeOtherImportantThing();
EndCriticalSection();

Answer 4

迈克尔的回答很好。我为 C++11 中引入的 mutex 类添加了第三个测试。结果有些有趣，并且仍然支持他最初对单个进程的 CRITICAL_SECTION 对象的认可。

mutex m;
HANDLE mutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
CRITICAL_SECTION critSec;
InitializeCriticalSection(&critSec);

LARGE_INTEGER freq;
QueryPerformanceFrequency(&freq);
LARGE_INTEGER start, end;

// Force code into memory, so we don't see any effects of paging.
EnterCriticalSection(&critSec);
LeaveCriticalSection(&critSec);
QueryPerformanceCounter(&start);
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
    EnterCriticalSection(&critSec);
    LeaveCriticalSection(&critSec);
}

QueryPerformanceCounter(&end);

int totalTimeCS = (int)((end.QuadPart - start.QuadPart) * 1000 / freq.QuadPart);

// Force code into memory, so we don't see any effects of paging.
WaitForSingleObject(mutex, INFINITE);
ReleaseMutex(mutex);

QueryPerformanceCounter(&start);
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
    WaitForSingleObject(mutex, INFINITE);
    ReleaseMutex(mutex);
}

QueryPerformanceCounter(&end);

int totalTime = (int)((end.QuadPart - start.QuadPart) * 1000 / freq.QuadPart);

// Force code into memory, so we don't see any effects of paging.
m.lock();
m.unlock();

QueryPerformanceCounter(&start);
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
    m.lock();
    m.unlock();
}

QueryPerformanceCounter(&end);

int totalTimeM = (int)((end.QuadPart - start.QuadPart) * 1000 / freq.QuadPart);


printf("C++ Mutex: %d Mutex: %d CritSec: %d\n", totalTimeM, totalTime, totalTimeCS);

我的结果是 217、473 和 19（请注意，我最后两次的时间比率与迈克尔的大致相当，但我的机器比他的机器至少年轻 4 岁，所以你可以看到速度增加的证据2009 年和 2013 年，当 XPS-8700 出现时）。新的互斥锁类的速度是 Windows 互斥锁的两倍，但仍不到 Windows CRITICAL_SECTION 对象速度的十分之一。请注意，我只测试了非递归互斥锁。 CRITICAL_SECTION 对象是递归的（一个线程可以重复进入它们，只要它离开的次数相同）。

Answer 5

从理论上讲，critical section 是一段不能由多个线程同时运行的代码，因为该代码访问共享资源。

mutex 是一种算法（有时是数据结构的名称），用于保护临界区。

Semaphores 和 Monitors 是互斥体的常见实现。

在实践中，Windows 中提供了许多互斥锁实现。它们的主要区别在于它们的锁定级别、范围、成本以及在不同争用级别下的性能。请参阅CLR Inside Out - Using concurrency for scalability 了解不同互斥体实现的成本图表。

可用的同步原语。

• Monitor
• Mutex
• Semaphore
• ReaderWriterLock
• ReaderWriterLockSlim
• Interlocked

lock(object) 语句是使用 Monitor 实现的 - 请参阅 MSDN 以获取参考。

在过去几年中，对non-blocking synchronization 进行了大量研究。目标是以无锁或无等待的方式实现算法。在这样的算法中，一个进程帮助其他进程完成它们的工作，以便该进程最终可以完成它的工作。因此，即使尝试执行某些工作的其他进程挂起，进程也可以完成其工作。使用锁，他们不会释放他们的锁并阻止其他进程继续。

Answer 6

为了增加我的 2 美分，关键部分被定义为一个结构，并且对它们的操作在用户模式上下文中执行。

ntdll!_RTL_CRITICAL_SECTION
   +0x000 调试信息：Ptr32 _RTL_CRITICAL_SECTION_DEBUG
   +0x004 LockCount : Int4B
   +0x008 递归计数：Int4B
   +0x00c OwningThread : Ptr32 无效
   +0x010 LockSemaphore : Ptr32 无效
   +0x014 旋转计数：Uint4B

而互斥体是在 Windows 对象目录中创建的内核对象 (ExMutantObjectType)。互斥操作主要在内核模式下实现。例如，在创建 Mutex 时，您最终会在内核中调用 nt!NtCreateMutant。

Answer 7

对于 Windows，临界区比互斥体轻。

互斥锁可以在进程之间共享，但总是会导致对内核的系统调用有一些开销。

关键部分只能在一个进程中使用，但其优点是它们只在争用情况下切换到内核模式 - 非竞争获取，这应该是常见的情况，速度非常快。在争用的情况下，它们进入内核等待某个同步原语（如事件或信号量）。

我编写了一个快速示例应用程序，用于比较两者之间的时间。在我的系统上进行 1,000,000 次无竞争的获取和释放，互斥量需要一秒钟。 1,000,000 次获取的关键部分大约需要 50 毫秒。

这是测试代码，如果 mutex 是第一个或第二个，我运行它并得到类似的结果，所以我们没有看到任何其他效果。

HANDLE mutex = CreateMutex(NULL, FALSE, NULL);
CRITICAL_SECTION critSec;
InitializeCriticalSection(&critSec);

LARGE_INTEGER freq;
QueryPerformanceFrequency(&freq);
LARGE_INTEGER start, end;

// Force code into memory, so we don't see any effects of paging.
EnterCriticalSection(&critSec);
LeaveCriticalSection(&critSec);
QueryPerformanceCounter(&start);
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
    EnterCriticalSection(&critSec);
    LeaveCriticalSection(&critSec);
}

QueryPerformanceCounter(&end);

int totalTimeCS = (int)((end.QuadPart - start.QuadPart) * 1000 / freq.QuadPart);

// Force code into memory, so we don't see any effects of paging.
WaitForSingleObject(mutex, INFINITE);
ReleaseMutex(mutex);

QueryPerformanceCounter(&start);
for (int i = 0; i < 1000000; i++)
{
    WaitForSingleObject(mutex, INFINITE);
    ReleaseMutex(mutex);
}

QueryPerformanceCounter(&end);

int totalTime = (int)((end.QuadPart - start.QuadPart) * 1000 / freq.QuadPart);

printf("Mutex: %d CritSec: %d\n", totalTime, totalTimeCS);

Answer 8

除了其他答案之外，以下详细信息特定于 windows 上的关键部分：

• 在没有争用的情况下，获取临界区就像InterlockedCompareExchange 操作一样简单
• 临界区结构为互斥体留出了空间。它最初是未分配的
• 如果线程之间争用临界区，则将分配和使用互斥锁。临界区的性能会降低到互斥锁的性能
• 如果您预计会出现高争用，您可以分配指定旋转计数的临界区。
• 如果临界区与旋转计数发生争用，则尝试获取临界区的线程将旋转（忙-等待）那么多处理器周期。这可以带来比休眠更好的性能，因为执行上下文切换到另一个线程的周期数可能远高于拥有线程释放互斥锁所花费的周期数
• 如果自旋计数到期，将分配互斥锁
• 当所属线程释放临界区时，需要检查是否分配了互斥锁，如果是则设置互斥锁释放等待线程

在 linux 中，我认为它们有一个“自旋锁”，其作用类似于具有自旋计数的临界区。

Answer 9

Critical Section 和 Mutex 不是操作系统特定的，它们是多线程/多处理的概念。

关键部分 是一段只能在任何给定时间由它自己运行的代码（例如，有 5 个线程同时运行，一个名为“critical_section_function”的函数会更新一个数组......你不希望所有 5 个线程都更新数组一次。所以当程序运行critical_section_function()时，没有其他线程必须运行它们的critical_section_function。

互斥体* 互斥锁是一种实现临界区代码的方式（把它想象成一个令牌......线程必须拥有它才能运行临界区代码）

Answer 10

在 Windows 中，关键部分是您的进程的本地部分。可以跨进程共享/访问互斥锁。基本上，关键部分要便宜得多。无法具体评论 Linux，但在某些系统上它们只是同一事物的别名。