如何使用C++11原子操作实现自旋锁

什么是自旋锁？

C++自旋锁是一种低层次的同步原语，用于保护共享资源的访问。自旋锁是一种轻量级的锁，适用于短时间的资源锁定。

自旋锁的特点：当一个线程尝试获取已经被另一个线程占有的自旋锁时，这个线程会进入一个循环（自旋），在这个循环中它不断地检查锁是否已经被释放。如果锁已经被释放，那么该线程就可以获取到锁并执行。如果锁仍然被占用，该线程就会一直处于自旋状态，直到获取到锁。

自旋锁的一个重要特点是它不会导致调用者睡眠，如果自旋锁已经被占用，调用者会一直处于忙等待状态，直到能够获取到锁。这就意味着自旋锁应当只在持锁时间短并且线程不会被阻塞的情况下使用，否则会浪费处理器时间，降低多处理器系统的并行性能。

在C++中，实现自旋锁可以使用原子操作和条件变量。C++11没有提供专门用于实现自旋锁的接口，但可以通过使用原子操作和条件变量来实现自旋锁。

使用C++11原子操作实现自旋锁

C++11没有提供专门用于实现自旋锁的接口，但可以通过使用原子操作（atomic operations）和条件变量（condition variables）来实现自旋锁。

示例代码如下：

#include   
#include   
  
class spin_lock {  
private:  
    std::atomic_flag flag = { ATOMIC_FLAG_INIT };  
  
public:  
    spin_lock() {}  
  
    void lock() {  
        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {  
            // spin-wait loop  
        }  
    }  
  
    void unlock() {  
        flag.clear(std::memory_order_release);  
    }  
};

自旋锁和互斥锁区别

自旋锁和互斥锁都是用于保护共享资源的同步原语，但它们在处理方式和适用场景上存在一些区别。

• 处理方式：互斥锁通过阻塞线程的执行来实现对共享资源的保护，当一个线程获得互斥锁时，其他尝试获取该锁的线程会被阻塞，直到原持有者释放锁。而自旋锁则采用忙等待的方式，当一个线程尝试获取自旋锁未成功时，它会持续进行尝试，直到成功获得锁；
• 开销：互斥锁的开销相对较大，因为它需要从用户态切换到内核态来处理阻塞和唤醒操作。而自旋锁发生在用户态，开销相对较小；
• 适用场景：互斥锁适用于锁持有时间较长或线程可能被阻塞的场景，例如进行IO操作或处理复杂计算等。在这种情况下，互斥锁可以避免线程因长时间等待而被饥饿。自旋锁适用于锁持有时间非常短且CPU资源不紧张的情况，例如短时间的共享资源访问或者CPU密集型操作。自旋锁可以避免线程因无意义的切换和调度开销而浪费资源；
• 锁的粒度：互斥锁的粒度较粗，适用于保护整个临界区或整个数据结构。自旋锁的粒度较细，适用于保护临界区中的一小部分代码或数据结构。

总之，自旋锁和互斥锁都有各自的适用场景，需要根据具体情况选择合适的同步原语。

总结

自旋锁避免了操作系统进程调度和线程切换，适用在时间极短的情况，操作系统的内核经常使用自旋锁。但如果长时间上锁，自旋锁会非常耗费性能。线程持有锁时间越长，则持有锁的线程被OS调度程序中断的风险越大。如果发生中断情况，那么其它线程将保持旋转状态(反复尝试获取锁)，而持有锁的线程并不打算释放锁，导致结果是无限期推迟，直到持有锁的线程可以完成并释放它为止。