Windows下的锁机制研究报告

2.1.1 架构与实现

临界区在Windows中通过CRITICAL_SECTION结构体来表示。进程负责为该结构体分配内存，通常通过简单地声明一个该类型的变量即可完成10。在使用临界区之前，必须通过调用InitializeCriticalSection或InitializeCriticalSectionAndSpinCount函数对其进行初始化10。

InitializeCriticalSectionAndSpinCount函数允许指定一个自旋计数（spin count），这在多处理器系统上可以提高性能10。自旋是指当一个线程尝试获取已被锁定的临界区时，它会在一个循环中不断检查锁是否已被释放，而不是立即进入等待状态10。

2.1.2 API函数

Windows提供了以下API函数来操作临界区10:

• 初始化: InitializeCriticalSection 和 InitializeCriticalSectionAndSpinCount
• 进入: EnterCriticalSection（阻塞直到获取锁）和 TryEnterCriticalSection（尝试获取锁，不阻塞）
• 离开: LeaveCriticalSection（释放锁）
• 删除: DeleteCriticalSection（释放临界区使用的系统资源）
• 设置自旋计数: SetCriticalSectionSpinCount（在多处理器系统上设置自旋次数）

2.1.4 递归锁定行为

临界区允许同一线程多次进入（递归锁定）而不会发生阻塞10。但是，线程必须调用相同次数的LeaveCriticalSection才能完全释放临界区的所有权10。Windows临界区没有提供配置来禁止递归访问19。

2.1.5 使用场景与限制

临界区主要用于在单个进程内的多个线程之间提供互斥访问，保护共享资源2。一个关键的限制是临界区对象不能在不同进程之间共享10。与互斥量不同，临界区没有内置的机制来检测是否被某个线程遗弃（即线程在持有锁的情况下终止）10。

2.2.1 架构与实现

互斥量在Windows中通过内核对象实现，如果互斥量被命名，则可以在整个操作系统中可见，并被其他进程通过名称打开4。

2.2.2 API函数

Windows提供了以下API函数来操作互斥量16:

• 创建: CreateMutex 和 CreateMutexEx（可以指定名称和初始所有者）
• 打开: OpenMutex（获取另一个进程中已命名互斥量的句柄）
• 释放: ReleaseMutex（必须由持有互斥量的线程调用）
• 等待: WaitForSingleObject，WaitForMultipleObjects，.NET中的 WaitOne（可以指定超时时间）

2.2.4 互斥量遗弃及其影响

如果一个线程在持有互斥量的情况下终止而没有释放它，则该互斥量被认为是遗弃的16。等待该互斥量的线程可以获取它，但WaitForSingleObject会返回WAIT_ABANDONED16。这表明可能发生了错误，受保护的资源可能处于不一致的状态16。在.NET中，会抛出AbandonedMutexException异常25。

2.3.1 架构与实现

信号量可以是命名的或未命名的内核对象。命名的信号量可以用于进程间同步41。

2.3.2 API函数

Windows提供了以下API函数来操作信号量41:

• 创建: CreateSemaphore 和 CreateSemaphoreEx（指定初始计数和最大计数，可以命名）
• 打开: OpenSemaphore（获取现有命名信号量的句柄）
• 释放: ReleaseSemaphore（按指定量增加计数，直到最大值）
• 等待: WaitForSingleObject，WaitForMultipleObjects，.NET中的 WaitOne（如果计数为零则阻塞）

2.3.4 资源管理与同步模式

• 生产者-消费者问题42
• 读者-写者问题（可以使用信号量实现）44
• 限制对有限资源的并发访问41

2.4.1 架构与实现

事件对象是内核对象，可以处于已发送信号（signaled）或未发送信号（nonsignaled）状态。

2.4.2 API函数

Windows提供了以下API函数来操作事件对象59:

• 创建: CreateEvent 和 CreateEventEx（指定手动/自动重置、初始状态和名称）
• 打开: OpenEvent（获取现有命名事件的句柄）
• 设置: SetEvent（将状态设置为已发送信号）
• 重置: ResetEvent（将手动重置事件设置为未发送信号）。自动重置事件会自动重置。
• 等待: WaitForSingleObject，WaitForMultipleObjects，.NET中的 WaitOne（阻塞直到收到信号）

2.4.4 线程间与进程间信号

事件对象既可以用于单个进程内的线程间通信，也可以用于不同进程之间的通信（如果已命名）26。

2.4.5 在异步操作中的使用

事件对象常用于通知文件、管道和设备的重叠I/O操作已完成59。

2.5.1 架构与优化设计

SRW锁提供了两种访问共享资源的模式：共享模式（允许多个读取线程并发访问）和独占模式（允许一个写入线程独占访问）72。

2.5.2 API函数

• 初始化: InitializeSRWLock72。也可以使用 SRWLOCK_INIT 静态初始化72。
• 获取共享锁: AcquireSRWLockShared，TryAcquireSRWLockShared72。
• 获取独占锁: AcquireSRWLockExclusive，TryAcquireSRWLockExclusive72。
• 释放共享锁: ReleaseSRWLockShared72。
• 释放独占锁: ReleaseSRWLockExclusive72。

2.5.4 局限性

• 不支持递归获取（共享或独占）72
• 不支持从共享模式升级到独占模式72
• 必须由获取锁的同一线程释放75

2.5.5 与其他读写锁实现的比较

与一些传统的实现相比，SRW锁通常更快，开销更低76。性能会根据竞争水平和读写比例而变化76。

2.6.1 基本概念与实现

自旋锁通过忙等待来避免上下文切换的开销79。

2.6.2 在极低竞争场景下的优势

当等待时间预计非常短且竞争极小时，自旋锁可能比其他类型的锁更有效78。在无竞争的情况下，开销低于互斥量81。

2.6.3 在高竞争下的劣势

如果锁被长时间持有，自旋会浪费CPU周期4。在单核系统上或存在优先级反转的情况下，可能导致性能下降甚至死锁80。

2.6.4 内核模式与用户模式下的注意事项

自旋锁主要用于内核模式，以避免上下文切换6。用户模式下的自旋锁（如.NET中的System.Threading.SpinLock）应谨慎使用，只有在性能分析表明有益时才考虑4。

2.6.5 队列自旋锁及其优势

队列自旋锁是一种变体，适用于高竞争锁，通过将线程组织到队列中来工作6。它可以减少处理器竞争，提高公平性，并增强可伸缩性87。