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std::mutex底层实现原理

news 来源：原创 2025/6/17 1:05:45

std::mutex是一个用于实现互斥访问的类，其具备两个成员函数——lock和unlock

锁的底层实现原理

锁的底层实现是基于原子操作的，这些原子操作是由指令支持的，因为单个指令是不能被中断的

一些与锁的实现有关的原子指令为：

待补充

互斥锁与自旋锁的区别

自旋锁

当前线程在使用获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程持有，那么当前会一直忙等待，直到其他线程释放自旋锁。自旋锁会导致CPU时间的浪费，只适用于指令较少的临界区

互斥锁

如果临界区较长，那么使用互斥锁就不合适了，这时需要一种方法，使得当前当前线程获取锁失败时可以陷入睡眠，在锁被其他线程释放时，有机会被唤醒

在调用std::mutex 的lock函数时，如果其他线程已经持有锁，那么当前线程陷入睡眠，让出CPU资源，使得CPU可以去执行其他任务

在调用std::mutex 的unlock函数时，释放锁，同时唤醒由于调用std::mutex 的lock获取锁失败而陷入睡眠的进程

std::mutex与std::lock_guard和std::unique_lock

std::mutex通常搭配std::lock_guard/std::unique_lock使用，以便自动管理加锁、上锁操作

std::lock_guard/std::unique_lock区别在于

std::lock_guard在性能上要稍微比std::unique_lock好一点
std::unique_lock更加灵活，具有可以主动调用lock/unlock，而std::lock_guard在构造函数中加锁，在析构函数中解锁
使用条件变量时，必须用std::unique_lock

std::mutex源码实现

class mutex : private __mutex_base // 基类为__mutex
{// ...voidlock(){int __e = __gthread_mutex_lock(&_M_mutex); // _M_mutex在基类中。 实际上调用glibc c库的pthread_mutex_lock// ...}voidunlock(){__gthread_mutex_unlock(&_M_mutex);}// ...
}
class __mutex_base  // mutexd的基类
{protected:typedef __gthread_mutex_t                        __native_type;__native_type  _M_mutex = __GTHREAD_MUTEX_INIT;  //  初始化宏constexpr __mutex_base() noexcept = default;// ...}
typedef pthread_mutex_t __gthread_mutex_t;              // _M_mutex的原始类型就是pthread_mutex_t
#define __GTHREAD_MUTEX_INIT PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER // 初始化宏是glibc库的初始化宏

从以上代码中可以看到，std::mutex实际上是对glibc pthread mutex实现的一层封装

pthread mutex实现与futex机制

pthread_mutex_t结构体的定义为

typedef union {struct __pthread_mutex_s {int __lock;                // !< 表示是否被加锁，是否存在竞争unsigned int __count;       //!< __kind代表可重入锁时，重复上锁会对__count进行递增。int __owner;                //!< 持有线程的线程ID。unsigned int __nusers;int __kind;                 //!< 上锁类型。int __spins;__pthread_list_t __list;} __data;
} pthread_mutex_t;

pthread_mutex_t.__data._lock的值有3

0，表示还没有进程/线程获得这把锁
1，表示有进程/线程已经获得了这个锁
2，当lock值已经为1，且又有进程/线程要获取这个锁时，将lock置为2，表示发生了竞争

需要注意的是，__data._lock是一个int整型，int类型的数据数写并不是原子的，需要使用原子操作test-and-set 或 compare-and-swap (CAS)保证对int数据读写的原子性

pthread_mutex_t.__data._kind的是一个32位的整数，库的设计者将这个32字节分成几个部分来提通不同的分类方式

其中的第1到第7位，代表一个锁的类别。
- PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP是mutex的默认类型，它是非递归的，这也是我之后要着重分析的锁类别。而PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP则表示可重入锁。其他类别不展开了（能力也不够）
它的第8位表示该锁是用在进程间同步还是线程间同步，通常情况下我们在线程同步中使用mutex，此时只需要将mutex声明在全局数据段即可；但如果是进程间的同步，则需要先开辟一个共享内存，将mutex放入共享内存中，然后不同进程才能操作同一个mutex。

futex机制

glibc nptl引入了futex机制（fast userspace mutex，快速用户空间锁），futex机制是用户空间和内核空间协作完成的，futex机制根据pthread_mutex_t.__data._lock的值进行优化。

pthread mutex的底层实现依赖于futex机制

pthread_mutex_lock实现

对于PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP类型的mutex，pthread_mutex_lock最终会调用到如下代码

#define __lll_lock(futex, private)                                      \((void)                                                               \({                                                                   \int *__futex = (futex);                                            \if (__glibc_unlikely                                               \(atomic_compare_and_exchange_bool_acq (__futex, 1, 0)))        \{                                                                \if (__builtin_constant_p (private) && (private) == LLL_PRIVATE) \__lll_lock_wait_private (__futex);                           \else                                                           \__lll_lock_wait (__futex, private);                          \}                                                                \}))

这里传入的futex即pthread_mutex_t结构体中的__data._lock

atomic_compare_and_exchange_bool_acq是一个CAS操作，可以简写为 CAS(lock, new_val, old_val), 能够达成的效果是，如果old_val == lock，则将new_val赋值给lock，并将old_val返回

这里可以看到，如果__futex值为0，表示没有其他线程加锁，atomic_compare_and_exchange_bool_acq直接返回0，此次加锁操作可以直接在用户态完成，这样的话，就避免了调用系统调用函数时的压栈操作，以及由用户态和内核态之间相互切换的上下文切换操作；若__futex值不为0，则需要进一步调用__lll_lock_wait_private或者__lll_lock_wait，调用futex系统调用进行后续操作。

pthread_mutex_unlock

pthread_mutex_unlock最终会调用到如下代码

#define __lll_unlock(futex, private)                                        \((void)                                                                \({                                                                        \int *__futex = (futex);                                                \int __private = (private);                                                \int __oldval = atomic_exchange_rel (__futex, 0);                        \if (__glibc_unlikely (__oldval > 1))                                \{                                                                \if (__builtin_constant_p (private) && (private) == LLL_PRIVATE) \__lll_lock_wake_private (__futex);                           \else                                                           \__lll_lock_wake (__futex, __private);                        \}                                                                \}))

如果__oldval==1，表示只有当前线程持有了锁（这里有一个假设是pthread_mutex_unlock是在正确的情况下使用的，即当前线程已经获取了锁），此时可以直接返回

如果__oldval>=2，表示有其他线程在这个锁上阻塞，由于当前线程释放了锁，此时需要唤醒其他调用了pthread_mutex_lock但被阻塞的线程

futex系统调用

对于futex系统调用，可以看下这篇博客性能打磨手记：记一段 Futex 机制的内核优化之旅 - 魅族内核团队

本文参考：

从C++mutex到futex - 别杀那头猪 - 博客园