多线程编程中的锁机制
在多线程编程过程中，可能会出现多个线程同时访问并修改同一个存储单元的情况。为了防止资源竞争，需要通过加锁来确保在任何时候只有一个线程可以操作该资源。
锁的实现
通过使用 lock 和 unlock 指令包裹的代码块，我们可以保证同时只有一个线程访问该资源。这需要硬件支持提供两个操作：加锁和解锁。每一条指令都是原子执行的，即在执行过程中不会被中断。
原子交换原语
同步库提供了原子交换原语来实现加锁与解锁功能。具体来说：
- 内存中的一个变量被用作锁变量，其值只能为1或0。1表示资源被某个线程锁定，0表示资源未被锁定。
- 使用寄存器中的值（只能是1或0）与内存中的锁变量进行交换。
- 寄存器值为1表示申请加锁。
- 寄存器值为0表示申请解锁。
加锁和解锁过程
- 加锁：当寄存器中的1与内存中的值交换时，如果寄存器交换后的值为1（即内存中原值为1），表示已被其他线程加锁，因此加锁请求失败。如果寄存器中的值为0，表示加锁成功。
- 解锁：过程与加锁相似，只是寄存器中的值设置为0，用于与内存中的锁变量交换。
这种交换原语能保证锁的关键在于其原子性，即寄存器的值与内存中的锁变量的交换是不可中断的，并且硬件会对同时发起的交换请求进行排序，确保一次只有一个交换发生。
基于 MIPS 指令集的实现
在 MIPS 指令集中，使用 ll（链接加载）和 sc（条件存储）指令来实现原子交换：
ll指令用于将内存中的值加载到寄存器中。sc指令用于将寄存器中的值存回内存中。如果在ll和sc之间内存地址的值未被修改，则sc成功；否则，sc指令失败并需重新尝试。
示例 MIPS 指令：
again: addi $t0, $zero, 1
ll $t1, 0($s1)
sc $t0, 0($s1)
beq $t0, $zero, again
add $s4, $zero, $t1
这组指令实现了将数值1存入由寄存器 $s1 指定的内存地址，并将取出的值存回寄存器 $s4。通过 ll 和 sc 指令的配合，如果其他线程修改了内存值，sc 将失败并重试。
