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Programming

同步機制比較：Spinlock v.s. Mutex

admin

• 2 min read

Spinlock 與 Mutex 都是很常用的同步機制，今天來看看這兩者在 Windows 上有什麼樣的不同！（推薦 MSDN 上的 Locks, Deadlocks, and Synchronization，寫得很不錯！）

Spinlock

我們可以簡單的從中文翻譯「自旋鎖」看出一點端倪，基本上就是個 Busy waiting 的動作，得一直等待指定的鎖被釋放之後，才可以繼續進行下一步動作。概念上非常簡單，實作上就不是如此了。例如：如果鎖還沒被釋放這個執行緒就被 swap-out 而進入 sleep 狀態怎麼辦？兩個執行緒同時要求取鎖的同步該怎麼處理？

Mutex

事實上 Mutex 是一種抽象概念：透過一個變數或物件確保 Critical Section 內的資料同一時間內只會有單一存取。所以文章標題本身就不是個很精確的命題。根據 MSDN 上的說明，Mutex 約可分為以下三類同步機制：

  • (Interrupt/Queued) Spinlock
  • (Fast/Kernel/Unsafe Fase) Mutex
  • Synchronization Event

了解後，我們知道我們真正該比較的是 KeAcquireSpinLock 與 KeWaitForMutexObject 。

那麼，究竟有什麼不同？

簡單的介紹之後，我們可以發現一個重點就是：CPU 使用率。對於 Spinlock 來說，是佔用 CPU 時間來做等待動作的，也因此，我們可以歸納出兩者的不同的使用時機：

  • 同質多核心的環境下，Critical Section 所花費的時間如果不多，適合 Spinlock，因為我們可以減少 Context Switch 的時間。（單核心其實兩者的比較沒有太多意義，因為某些系統會透過中段的開關實作 Spinlock）
  • 在 Windows 中，使用 Spinlock 會把該執行緒提升到 DISPATCH_LEVEL，這在某些情況下可能是不允許的，因此這時候就不得不使用 Mutex 了（APC_LEVEL）。
  • Mutex 比較適合保護一塊區域（所需時間長），而 Spinlock 比較適合保護一個變數（所需時間短）。

Semaphore?

說到同步怎麼可以不提 Semaphore？最容易搞混的就是 Mutex 與 Semaphore 了，因為 Mutex 有時候也被拿來當做同步機制的概稱。其實 Mutex = Binary Semaphore，如果我們只說 Semaphore 通常都是指 Counted Semaphore = Reentrant Mutex。 除此之外，在某些系統中（e.g., Windows），還有些細部差別 。

  1. Semaphore 可以設定同時被 Acquire 的次數，而 Mutex 則無法。所以若 Critical Section 允許被兩個以上的執行緒執行的話，通常我們會採用 Semaphore（但相對帶來的副作用用就是 Deadlock）。
  2. Mutex 只能被當初 Acquire 的執行緒 Release，Semaphore 則無此限制。

想要更深入瞭解的話，可以參考這篇文章。