【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

---

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)：

1. #include <stdio.h>
2. #include <stdatomic.h>
3. #include <pthread.h>
4. #include <unistd.h>
6. // 使用原子标志来模拟自旋锁
7. atomic_flag spinlock = ATOMIC_FLAG_INIT; // ATOMIC_FLAG_INIT 是 0
9. // 尝试获取锁
10. void spinlock_lock()
11. {
12.         while (atomic_flag_test_and_set(&spinlock))
13.         {
14.                 // 如果锁被占用，则忙等待
15.         }
16. }
18. // 释放锁
19. void spinlock_unlock()
20. {
21.         atomic_flag_clear(&spinlock);
22. }

复制代码

1. typedef _Atomic struct
2. {
3. #if __GCC_ATOMIC_TEST_AND_SET_TRUEVAL == 1
4.         _Bool __val;
5. #else
6.         unsigned char __val;
7. #endif
8. } atomic_flag;

复制代码

• 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

1. #include <pthread.h>
3. int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t* lock);
4. int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t* lock);
5. int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t* lock);
6. int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t* lock, int pshared);
7. int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t* lock);

复制代码

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

1. // 操作共享变量会有问题的售票系统代码
3. #include <stdio.h>
4. #include <stdlib.h>
5. #include <string.h>
6. #include <unistd.h>
7. #include <pthread.h>
9. int ticket = 1000;
11. //pthread_spinlock_t lock;
12. void* route(void* arg)
13. {
14.         char* id = (char*)arg;
15.         while (1)
16.         {
17.                 //pthread_spin_lock(&lock);
18.                 if (ticket > 0)
19.                 {
20.                         usleep(1000);
21.                         printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
22.                         ticket--;
23.                         //pthread_spin_unlock(&lock);
24.                 }
25.                 else
26.                 {
27.                         //pthread_spin_unlock(&lock);
28.                         break;
29.                 }
30.         }
32.         return nullptr;
33. }
35. int main(void)
36. {
37.         //pthread_spin_init(&lock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);
38.         pthread_t t1, t2, t3, t4;
40.         pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");
41.         pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");
42.         pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");
43.         pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");
45.         pthread_join(t1, NULL);
46.         pthread_join(t2, NULL);
47.         pthread_join(t3, NULL);
48.         pthread_join(t4, NULL);
50.         //pthread_spin_destroy(&lock);
51. }

复制代码

---

感谢各位大佬支持！！！

互三啦！！！

免责声明：如果侵犯了您的权益，请联系站长，我们会及时删除侵权内容，谢谢合作！更多信息从访问主页：qidao123.com:ToB企服之家，中国第一个企服评测及商务社交产业平台。