深入剖析OpenMP锁的原理与实现

前言

在本篇文章当中主要给大家介绍一下 OpenMP 当中经常使用到的锁并且仔细分析它其中的内部原理！在 OpenMP 当中主要有两种类型的锁，一个是 omp_lock_t 另外一个是 omp_nest_lock_t，这两个锁的主要区别就是后者是一个可重入锁，所谓可冲入锁就是一旦一个线程已经拿到这个锁了，那么它下一次想要拿这个锁的就是就不会阻塞，但是如果是 omp_lock_t 不管一个线程是否拿到了锁，只要当前锁没有释放，不管哪一个线程都不能够拿到这个锁。在后问当中将有仔细的例子来解释这一点。本篇文章是基于 GNU OpenMP Runtime Library !

深入分析 omp_lock_t

这是 OpenMP 头文件给我们提供的一个结构体，我们来看一下它的定义：

typedef struct
{
  unsigned char _x[4] 
    __attribute__((__aligned__(4)));
} omp_lock_t;

事实上这个结构体并没有什么特别的就是占 4 个字节，我们甚至可以认为他就是一个 4 字节的 int 的类型的变量，只不过使用方式有所差异。与这个结构体相关的主要有以下几个函数：

omp_init_lock，这个函数的主要功能是初始化 omp_lock_t 对象的，当我们初始化之后，这个锁就处于一个没有上锁的状态，他的函数原型如下所示：

void omp_init_lock(omp_lock_t *lock);

omp_set_lock，在调用这个函数之前一定要先调用函数 omp_init_lock 将 omp_lock_t 进行初始化，直到这个锁被释放之前这个线程会被一直阻塞。如果这个锁被当前线程已经获取过了，那么将会造成一个死锁，这就是上面提到了锁不能够重入的问题，而我们在后面将要分析的锁 omp_nest_lock_t 是能够进行重入的，即使当前线程已经获取到了这个锁，也不会造成死锁而是会重新获得锁。这个函数的函数原型如下所示：

void omp_set_lock(omp_lock_t *lock);

omp_test_lock，这个函数的主要作用也是用于获取锁，但是这个函数可能会失败，如果失败就会返回 false 成功就会返回 true，与函数 omp_set_lock 不同的是，这个函数并不会导致线程被阻塞，如果获取锁成功他就会立即返回 true，如果失败就会立即返回 false 。它的函数原型如下所示：

int omp_test_lock(omp_lock_t *lock); 

omp_unset_lock，这个函数和上面的函数对应，这个函数的主要作用就是用于解锁，在我们调用这个函数之前，必须要使用 omp_set_lock 或者 omp_test_lock 获取锁，它的函数原型如下：

void omp_unset_lock(omp_lock_t *lock);

omp_destroy_lock，这个方法主要是对锁进行回收处理，但是对于这个锁来说是没有用的，我们在后文分析他的具体的实现的时候会发现这是一个空函数。

我们现在使用一个例子来具体的体验一下上面的函数：

#include <stdio.h>
#include <omp.h>

int main()
{
   omp_lock_t lock;
   // 对锁进行初始化操作
   omp_init_lock(&lock);
   int data = 0;
#pragma omp parallel num_threads(16) shared(lock, data) default(none)
   {
      // 进行加锁处理 同一个时刻只能够有一个线程能够获取锁
      omp_set_lock(&lock);
      data++;
      // 解锁处理 线程在出临界区之前需要解锁 好让其他线程能够进入临界区
      omp_unset_lock(&lock);
   }
   omp_destroy_lock(&lock);
   printf("data = %d\n", data);
   return 0;
}

在上面的函数我们定义了一个 omp_lock_t 锁，并且在并行域内启动了 16 个线程去执行 data ++ 的操作，因为是多线程环境，因此我们需要将上面的操作进行加锁处理。

omp_lock_t 源码分析

omp_init_lock，对于这个函数来说最终在 OpenMP 动态库内部会调用下面的函数：

typedef int gomp_mutex_t;
static inline void
gomp_mutex_init (gomp_mutex_t *mutex)
{
  *mutex = 0;
}

从上面的函数我们可以知道这个函数的作用就是将我们定义的 4 个字节的锁赋值为0，这就是锁的初始化，其实很简单。

omp_set_lock，这个函数最终会调用 OpenMP 内部的一个函数，具体如下所示：

static inline void
gomp_mutex_lock (gomp_mutex_t *mutex)
{
  int oldval = 0;
  if (!__atomic_compare_exchange_n (mutex, &oldval, 1, false,
        MEMMODEL_ACQUIRE, MEMMODEL_RELAXED))
    gomp_mutex_lock_slow (mutex, oldval);
}

在上面的函数当中线程首先会调用 __atomic_compare_exchange_n 将锁的值由 0 变成 1，还记得我们在前面对锁进行初始化的时候将锁的值变成0了吗？

我们首先需要了解一下 __atomic_compare_exchange_n ，这个是  gcc 内嵌的一个函数，在这里我们只关注前面三个参数，后面三个参数与内存模型有关，这并不是我们本篇文章的重点，他的主要功能是查看 mutex 指向的地址的值等不等于 oldval ，如果等于则将这个值变成 1，这一整个操作能够保证原子性，如成功将 mutex 指向的值变成 1 的话，那么这个函数就返回 true 否则返回 false 对应 C 语言的数据就是 1 和 0 。如果 oldval 的值不等于 mutex 所指向的值，那么这个函数就会将这个值写入 oldval 。

如果这个操作不成功那么就会调用 gomp_mutex_lock_slow 函数这个函数的主要作用就是如果使用不能够使用原子指令获取锁的话，那么就需要进入内核态，将这个线程挂起。在这个函数的内部还会测试是否能够通过源自操作获取锁，因为可能在我们调用 gomp_mutex_lock_slow 这个函数的时候可能有其他线程释放锁了。如果仍然不能够成功的话，那么就会真正的将这个线程挂起不会浪费 CPU 资源，gomp_mutex_lock_slow 函数具体如下：

void
gomp_mutex_lock_slow (gomp_mutex_t *mutex, int oldval)
{
  /* First loop spins a while.  */
  // 先自旋 如果自旋一段时间还没有获取锁 那就将线程刮挂起
  while (oldval == 1)
    {
      if (do_spin (mutex, 1))
 {
   /* Spin timeout, nothing changed.  Set waiting flag.  */
   oldval = __atomic_exchange_n (mutex, -1, MEMMODEL_ACQUIRE);
    // 如果获得