【在Linux天下中追寻伟大的One Piece】自旋锁
目次1 -> 概述
2 -> 原理
3 -> 优缺点及利用场景
3.1 -> 优点
3.2 -> 缺点
3.3 -> 利用场景
4 -> 纯软件自旋锁类似的原理实现
4.1 -> 结论
5 -> 样例代码
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1 -> 概述
自旋锁是一种多线程同步机制，用于掩护共享资源避免受并发访问的影响。
在多个线程实验获取锁时，它们会一连自选(即在一个循环中不停检查锁是否可用)而不是立刻进入休眠状态等待锁的释放。
这种机制减少了线程切换的开销，实用于短时间内锁的竞争情况。但是不合理的利用，大概会造成CPU的浪费。
2 -> 原理
自旋锁通常利用一个共享的标志位(如一个布尔值)来表现锁的状态。当标志位为true时，表现锁已经被某个线程占用；当标志位为false时，表现锁可用。当一个线程实验获取自旋锁时，它会不停检查标志位：
[*]如果标志位为true(即锁已经被其他线程占用)，线程会在一个循环中不停自旋等待，直到锁被释放。
[*]如果标志位为false，表现锁可用，线程将标志位设置为true，表现自己占用了锁，并进入临界区。
大致流程：
[*]实验获取锁：当一个线程必要访问共享资源时，它会实验获取自旋锁。如果锁已经被其他线程持有，则当火线程不会立刻进入壅闭状态。
[*]自旋等待：当火线程会进入一个循环(通常称为“自旋”)，在这个循环中它会不停检查锁是否已经被释放。这通常是通过一个原子操作(如CAS，Compare-And-Swap)来实现的，该操作会检查锁的状态并实验将其设置为已锁定。
[*]获取锁成功：如果锁已经被释放(即其他线程已经完成了对共享资源的访问并释放了锁)，则当火线程会成功获取锁，并退出自旋循环。
[*]实验临界区代码：一旦获取了锁，当火线程就可以安全地访问共享资源，并实验临界区代码。
[*]释放锁：完成临界区代码的实验后，当火线程会释放锁，以便其他线程可以获取锁并访问共享资源。
3 -> 优缺点及利用场景
3.1 -> 优点
[*]低耽误：自旋锁实用于短时间内的锁竞争情况。因为它不会让线程进入休眠状态，从而避免了线程切换的开销，提高了锁的操作效率。
[*]减少体系调度开销：等待锁的线程不会被壅闭，不必要上下文切换，从而减少了体系调度开销。
3.2 -> 缺点
[*]CPU资源浪费：如果锁的持偶然间较长，等待获取锁的线程就会不停循环等待，导致CPU资源的浪费。
[*]大概引起活锁：当多个线程同时自旋等待同一个锁时，如果没有得当的退避计谋，大概会导致所有线程都在不停检查锁状态而无法进入临界区，形成活锁。
3.3 -> 利用场景
[*]短暂等待的情况：实用于锁被占用时间很短的场景，如多线程对共享数据进行简单的读写操作。
[*]多线程锁利用：通常用于体系底层，同步多个CPU对共享资源的访问。
4 -> 纯软件自旋锁类似的原理实现
自旋锁的实现通常利用原子操作来包管操作的原子性，常用的软件实现方式是通过CAS(Compare-And-Swap)指令实现。以下是一个简单的自旋锁实现示例(伪代码)：
#include <stdio.h>
#include <stdatomic.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
// 使用原子标志来模拟自旋锁
atomic_flag spinlock = ATOMIC_FLAG_INIT; // ATOMIC_FLAG_INIT 是 0
// 尝试获取锁
void spinlock_lock()
{
while (atomic_flag_test_and_set(&spinlock))
{
// 如果锁被占用，则忙等待
}
}
// 释放锁
void spinlock_unlock()
{
atomic_flag_clear(&spinlock);
} typedef _Atomic struct
{
#if __GCC_ATOMIC_TEST_AND_SET_TRUEVAL == 1
_Bool __val;
#else
unsigned char __val;
#endif
} atomic_flag;
[*]功能描述：atomic_flag_test_and_set函数检查atomic_flag的当前状态。如果atomic_flag之前没有被设置过(即其值为false或"未设置"状态)，则函数会将其设置为true(或"设置"状态)，并返回先前的值(在这种情况下为false)。如果atomic_flag之前已经被设置过(即其值为true)，则函数不会改变其状态，但会返回true。
[*]原子性：这个操作是原子的，意味着在多线程情况中，它包管了对atomic_flag的读取和修改是不可分割的。当一个线程调用此函数时，其他线程无法看到这个操作的任何中心状态，这确保了操作的线程安全性。
Linux提供的自旋锁体系调用
#include <pthread.h>
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t* lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t* lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t* lock);
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t* lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t* lock); 注意：
[*]在利用自旋锁时，必要确保锁被释放的时间尽大概短，以避免CPU资源的浪费。
[*]在多CPU情况下，自旋锁大概不如其他锁机制高效，因为它大概导致线程在不同的CPU上自旋等待。
4.1 -> 结论
自旋锁是一种实用于短时间内锁竞争情况的同步机制，它通过减少线程切换的开销来提高锁操作的效率。然而，它也存在CPU资源浪费和大概引起活锁等缺点。在利用自旋锁时，必要根据具体的应用场景进行选择，并确保锁被释放的时间尽大概短。
5 -> 样例代码
// 操作共享变量会有问题的售票系统代码
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>
int ticket = 1000;
//pthread_spinlock_t lock;
void* route(void* arg)
{
char* id = (char*)arg;
while (1)
{
//pthread_spin_lock(&lock);
if (ticket > 0)
{
usleep(1000);
printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
ticket--;
//pthread_spin_unlock(&lock);
}
else
{
//pthread_spin_unlock(&lock);
break;
}
}
return nullptr;
}
int main(void)
{
//pthread_spin_init(&lock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);
pthread_t t1, t2, t3, t4;
pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");
pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");
pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");
pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");
pthread_join(t1, NULL);
pthread_join(t2, NULL);
pthread_join(t3, NULL);
pthread_join(t4, NULL);
//pthread_spin_destroy(&lock);
}
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