【手写实现自旋锁SpinLock】

手写实现自旋锁

概念

自旋锁（Spinlock）是一种基本的同步机制，用于保护共享资源的并发访问。它的工作原理是，当一个线程尝试获取自旋锁时，如果锁已经被其他线程持有，则该线程会一直自旋（忙等待）直到锁被释放。

核心原理

• 自旋锁的核心思想是避免线程进入阻塞状态，以减少线程切换的开销。在获取自旋锁的过程中，线程会不断地检查锁的状态，而不是被置于等待队列中。这样可以减少线程上下文切换、调度开销和等待唤醒的时间。

• 当一个线程成功获取自旋锁后，它可以在临界区中执行操作，并在完成后释放锁，以允许其他线程获取锁并继续执行。如果在获取锁的过程中发现锁已被其他线程持有，线程将继续自旋等待，直到锁被释放。

• 需要注意的是，自旋锁适用于临界区很小且短暂的情况，因为自旋锁会导致线程忙等待，占用CPU资源。当临界区较大或锁的持有时间较长时，使用自旋锁可能会浪费大量的CPU时间。此外，在单核CPU上使用自旋锁也可能导致饥饿问题，因为线程会一直占用CPU资源而无法释放。

• 自旋锁通常使用原子操作和标志位来实现，确保对共享资源的互斥访问。在现代多核处理器上，自旋锁在某些情况下可以提供较好的性能，但在其他情况下可能不如更复杂的同步机制（如互斥锁）效果好。因此，选择适当的同步机制需要综合考虑具体的应用场景和性能需求。

优缺点

下面是自旋锁的一些优点和缺点：

• 优点：

  • 响应时间低：自旋锁避免了线程切换的开销，因为线程在获取锁时会一直自旋等待，而不会被置于等待状态。这使得在临界区很小且短暂的情况下，自旋锁的响应时间通常较低。

  • 避免上下文切换开销：相比于互斥锁（Mutex）等需要将线程从用户态切换到内核态的同步机制，自旋锁在用户态执行自旋等待，避免了上下文切换的开销，从而提高了性能。

  • 适用于多核 CPU：自旋锁在多核 CPU 上的效果较好，因为当一个线程在自旋等待时，其他线程可以继续执行，并且在多核 CPU上，线程可以在不同的核心上运行，避免了竞争条件。

• 缺点：

  • 高 CPU 开销：自旋锁会导致线程在获取锁时进行忙等待，不断检查锁是否可用，这会占用 CPU
    资源。如果临界区较大或锁被持有的时间较长，自旋锁可能会浪费大量的 CPU 时间。

  • 不适用于单核 CPU 或独占型任务：在单核 CPU 上，自旋锁会一直占用 CPU
    资源而无法释放，导致其他任务无法执行。此外，如果一个线程长时间持有自旋锁而不释放，其他线程将无法进入临界区，这可能导致饥饿问题。

  • 死锁风险：与其他同步机制一样，自旋锁也存在死锁的风险。如果在一个线程已经获取锁的情况下，又尝试获取同一个自旋锁，就会发生死锁现象。

综上所述，自旋锁适用于临界区很小且短暂的情况，在多核 CPU 上效果较好。但对于临界区较大或锁被持有的时间较长的情况，或者在单核 CPU上使用时需要谨慎。在实际应用中，需要根据具体情况权衡自旋锁的优缺点，选择合适的同步机制。

代码实现

#include 
#include 
#include 
#include 
using namespace std;
class SpinLock {
public:
    SpinLock() : flag(false) {}

    void lock() {
        while (flag.exchange(true, std::memory_order_acquire)) {
            // 自旋等待锁释放
        }
    }

    void unlock() {
        flag.store(false, std::memory_order_release);
    }

private:
    std::atomic<bool> flag;
};

int counter = 0;
SpinLock spinLock;

void incrementCounter() {
    for (int i = 0; i < 100000; ++i) {
        spinLock.lock();
        counter++;
        spinLock.unlock();
    }
}

int main() {
    const int numThreads = 10;
    std::vector<std::thread> threads;

    for (int i = 0; i < numThreads; ++i) {
        threads.emplace_back(incrementCounter);
    }

    for (auto& thread : threads) {
        thread.join();
    }

    std::cout << "Counter: " << counter << std::endl;

    return 0;
}

github链接：https://github.com/mulinhu/CPPer/tree/main/util/spinlock_demo