C- 使用原子变量实现自旋锁

自旋锁

自旋锁（Spinlock）是一种常用于多线程编程中的低开销锁，其特点是当线程尝试获取锁而锁已被其他线程占用时，该线程会处于一个持续的忙等待（busy-wait）状态，直到它可以获取到锁为止。这种方法避免了线程切换和上下文切换的开销，但是如果锁被持有的时间较长，它可能会造成CPU时间的浪费。

自旋锁最适用于以下经典场景：

1. 短临界区：当需要保护的代码执行非常快，锁的持有时间非常短时，自旋锁是非常有效的。

2. 低竞争：当很少有线程试图同一时间获取锁时，自旋锁是有用的。

3. 实时系统：在某些实时系统中，线程切换和上下文切换的代价可能非常高，自旋锁可能是一个更好的选择，因为它们可以确保线程在短时间内完成其工作。

4. 无法睡眠的环境：在某些环境中，如内核中断处理程序或其他不允许睡眠的环境中，使用自旋锁可能是唯一的同步选项。

5. 多核和多处理器系统：在多核和多处理器的系统中，当一个线程在一个核上忙等待，另一个线程可能在另一个核上释放锁，这种情况下，自旋锁可能比其他类型的锁更高效。

然而，值得注意的是，如果锁可能被持有很长时间或有高竞争的情况，自旋锁可能不是一个好的选择，因为它可能导致大量的CPU时间浪费。在这种情况下，其他的锁机制，如互斥锁或读写锁，可能是更好的选择。

实现自旋锁

使用原子变量实现自旋锁涉及到利用原子操作来确保锁的原子性。以下是使用C11中的stdatomic.h来实现一个简单的自旋锁：

#include 
#include 
#include 

typedef struct {
    atomic_flag flag;
} spinlock_t;

void spinlock_init(spinlock_t *lock) {
    atomic_flag_clear(&lock->flag);
}

void spinlock_lock(spinlock_t *lock) {
    while (atomic_flag_test_and_set(&lock->flag));
}

void spinlock_unlock(spinlock_t *lock) {
    atomic_flag_clear(&lock->flag);
}

spinlock_t lock;
int shared_data = 0;

void *worker(void *arg) {
    for (int i = 0; i < 100000; ++ i) {
        spinlock_lock(&lock);
        shared_data ++;
        spinlock_unlock(&lock);
    }
    pthread_exit(0);
}

int main() {
    pthread_t t1, t2;

    spinlock_init(&lock);
    pthread_create(&t1, NULL, worker, NULL);
    pthread_create(&t2, NULL, worker, NULL);

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);

    printf("Shared data: %d\n", shared_data);
    pthread_exit(0);
}

这里的关键是atomic_flag_test_and_set函数，它检查atomic_flag的当前值，如果它是false（即锁未被持有），则设置它为true（锁被持有）并返回原始值。这个操作是原子的，意味着在多线程环境中，只有一个线程能够成功地将flag设置为true。其他尝试获取锁的线程将会在while循环中自旋，直到锁被释放。

在 C11 标准中，atomic_flag的默认/初始状态是未设置（即其值为false）。当使用atomic_flag_clear()函数时，会将其设置回这个未设置状态。

但要注意，当使用atomic_flag变量时，为了确保其正确初始化，应该使用宏ATOMIC_FLAG_INIT。例如：

spinlock_t mylock = { ATOMIC_FLAG_INIT };

在上述自旋锁示例中，我们使用了atomic_flag_clear()函数来确保在初始化后标志是清除的（即设置为false）。

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补充

atomic_flag

atomic_flag是C11标准中定义的一种原子类型，用于实现原子标记。它是原子操作库中最基础的组件，并且是确保原子性的最简单工具。原子类型的目的是在多线程环境中提供对单个数据的无锁访问，以确保数据操作的原子性。

以下是关于atomic_flag的一些关键点：

1. 简单性：atomic_flag只有两个可能的状态：设置（true）和未设置（false）。

2. 原子性：操作atomic_flag的函数都是原子的，这意味着在多线程环境中对其进行的操作都是不可分割的。当一个线程在操作它时，其他线程无法干扰这个操作。

3. 操作：

   • atomic_flag_test_and_set：这个函数检查atomic_flag的当前状态。如果它未被设置，函数会设置它并返回先前的值。这个函数通常用于尝试获取锁。
   • atomic_flag_clear：这个函数将atomic_flag重置为未设置状态。这个函数通常用于释放锁。

4. 初始化：要正确初始化atomic_flag，应使用ATOMIC_FLAG_INIT宏。

5. 用途：由于其简单性，atomic_flag通常用于构建更复杂的同步原语，如自旋锁。

6. 无锁保证：atomic_flag提供了锁自由的保证。这意味着在其操作中不存在可能导致线程阻塞的锁。这是利用硬件提供的原子操作来实现的。

总的来说，atomic_flag是一个低级的同步原语，通常用于构建高级的同步工具或数据结构。尽管它看起来简单，但其提供的原子性保证使其在并发编程中非常有价值。

atomic_flag_clear()

atomic_flag_clear() 是 C11 和 C++11（及更高版本）中的原子操作库的一部分，专门用于操作 atomic_flag 类型。它的主要作用是将 atomic_flag 对象的状态重置为“清除”状态。

以下是关于 atomic_flag_clear() 的详细介绍：

1. 函数签名:

   void atomic_flag_clear(volatile atomic_flag *obj);
   void atomic_flag_clear(atomic_flag *obj);
   

2. 参数:

   • obj: 指向要清除的 atomic_flag 对象的指针。

3. 返回值:

   • 这个函数没有返回值。

4. 功能:

   • atomic_flag_clear() 函数将给定的 atomic_flag 对象的状态设置为清除状态（也就是 false 或未设置状态）。

5. 原子性:

   • atomic_flag_clear() 函数的操作是原子的，这意味着它是不可分割的。当一个线程调用此函数来清除标记时，其他线程无法看到这个操作的任何中间状态。这确保了对该标记的所有操作都是线程安全的。

6. 常见用途:

   • 通常，在使用 atomic_flag 作为自旋锁的基础时，当线程释放锁时，它会调用 atomic_flag_clear() 来标记锁为可用。

7. 注意事项:

   • 在调用 atomic_flag_clear() 之前，通常会有一些其他的原子检查或操作来确定标记是否已经被设置，以确保正确的并发行为。

总之，atomic_flag_clear() 是一个基础的原子操作，它为更复杂的并发控制结构（如自旋锁）提供了基本的线程安全释放机制。

atomic_flag_test_and_set()

atomic_flag_test_and_set() 是 C11 和 C++11 标准（及更高版本）中的原子操作库的一部分，主要用于 atomic_flag 类型。这个函数的主要功能是测试 atomic_flag 的当前状态，并将其设置为 true。这一操作是原子的，确保在多线程环境下其行为是一致的和预期的。

以下是关于 atomic_flag_test_and_set() 的详细介绍：

1. 函数签名:

   bool atomic_flag_test_and_set(volatile atomic_flag *obj);
   bool atomic_flag_test_and_set(atomic_flag *obj);
   

   在 C++ 中，还有一个额外的重载版本，支持 memory_order 参数，允许指定该操作的内存序语义。

2. 参数:

   • obj: 指向要测试和设置的 atomic_flag 对象的指针。

3. 返回值:

   • 如果 atomic_flag 之前的状态是已设置（true），则返回 true；否则返回 false。

4. 功能:

   • atomic_flag_test_and_set() 函数首先检查给定的 atomic_flag 对象的状态。
   • 如果其状态为未设置（false），则将其设置为 true 并返回 false。
   • 如果其状态已经是设置的（true），则保持其状态并返回 true。

5. 原子性:

   • atomic_flag_test_and_set() 函数的操作是原子的。这意味着当一个线程正在执行此函数时，其他线程无法干扰或看到这个操作的任何中间状态。这是并发编程中非常关键的特性，尤其是在实现如自旋锁这样的并发控制结构时。

6. 常见用途:

   • atomic_flag_test_and_set() 常被用作基于 atomic_flag 的自旋锁的核心。如果一个线程尝试获取锁（通过调用 atomic_flag_test_and_set()）并且返回 false，这意味着该线程成功获取了锁。如果返回 true，则锁已经被其他线程持有，因此该线程必须等待或尝试其他操作。

7. 注意事项:

   • 当使用 atomic_flag_test_and_set() 函数时，应该始终确保对应的 atomic_flag 在使用前已经被清除（使用 atomic_flag_clear()）。

总之，atomic_flag_test_and_set() 提供了一种在多线程环境中原子地测试和设置标志的方法，它是许多并发控制结构的基础。