1. 概述
為了保證數據的一致性，在多線程編程中我們會用到鎖，使得在某一時間點，只有一個線程進入臨界區代碼。雖然不同的語言可能會提供不同的鎖接口，但是底層調用的都是操作系統的提供的鎖，不同的高級語言只是在操作系統的鎖機制基礎上進行了些封裝而已，要真正理解鎖，還是得看操作系統是怎么實現鎖的。
2. 鎖的本質
所謂的鎖，本質上只是內存中的一個整形數，不同的數值表示不同的狀態，比如1表示空閑狀態和加鎖狀態。加鎖時，判斷鎖是否空閑，如果空閑，修改為加鎖狀態，返回成功，如果已經上鎖，返回失敗，解鎖時，就把鎖狀態修改為空閑狀態。
加鎖和解鎖看起來都很簡單，但是os是怎么保證鎖操作本身的原子性呢？ 在多核環境中，兩個核上的代碼同時申請一個鎖，兩個核同時讀取鎖變量，同時判斷鎖是空閑的，再各自修改鎖變量為上鎖狀態，都返回成功，這樣兩個核同時獲取到了鎖， 這種情況可能嗎？ 當然是不可能的，那么os是通過什么手段來保證鎖操作本身的原子性的呢？我們可以把上鎖的過程具體表示為：
- 讀內存表示鎖的變量
- 判斷鎖的狀態
- 如果已經加鎖，返回失敗
- 把鎖設置為上鎖狀態，
- 返回成功
上面的每一個步驟都對應一條匯編語句，可以認為這每一步操作都是原子的，什么情況會導致兩個線程同時獲取到鎖？
- 中斷： 當線程A執行完第一步后，發生了中斷，os調度線程B，線程B也來加鎖並且加鎖成功，此時又發生中斷，OS調度線程A執行，從第二步開始，也加鎖成功。
- 多核： 見上面例子。
那么怎么解決呢？ 能不能讓硬件做一種加鎖的原子操作呢？ 大名鼎鼎的“test and set”指令就是做這個事情的，該指令將讀取內存、判斷和設置值作為一個原子操作。單核環境下，鎖的操作肯定是原子性了，多核呢？貌似還是不行，因為多個核心他們的鎖操作是沒有干擾的，都能夠同時執行“test and set”，還是會出現兩個線程同時獲取到鎖的情況， 所以硬件提供了鎖內存總線的機制，在鎖內存總線的狀態下執行“test and set”操作就可以保證一個只有一個核執行成功，也就保證了不會存在多線程獲取到鎖的情況。
3. 硬件上怎么實現的
前面提到，cpu會通過對總線加鎖的手段來解決多核同時獲取鎖的情況，它到時是怎么實現的呢？ 在cpu芯片上有一個HLOCK Pin，可以通過發送指令來操作，將#HLOCK Pin電位拉低，並持續到這條指令執行完畢，從而將總線鎖住，這樣同一總線上的其他CPU就不能通過總線來訪問內存了。最開始這些功能是用來測試cpu的，后來被操作系統實現而封裝成各種功能：關鍵代碼段，信號量等。
在加鎖的代碼編譯成匯編后，會有個lock指令前綴：
Causes the processor's LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal insures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.
lock會使得緊跟在其后的指令變成atomic instruction，暫時的鎖一下總線，指令執行完，總線就解鎖了。
4. 小結
在硬件層面，cpu提供了原子操作、鎖內存總線等機制，OS根據這幾個cpu硬件機制就能夠實現鎖，在基於鎖，就能實現各種各樣的同步機制（信號量、消息等等），要理解os提供的各種同步手段，需要先理解os是怎么實現鎖的。
作者：tracy_668
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