自己动手写自旋锁

自旋锁以其高效闻名。顾名思义，自旋即如果无法成功锁住锁资源则会一直循环尝试锁，这与互斥锁的行为较为不同（互斥锁如果无法锁住则会挂起等待）。但其特性也决定了其使用场景，对于简单几步即可完成对共享资源操作的场景，自旋锁效率将会高于互斥量。

本文给出自旋锁的一种x86平台实现。

其实，gcc在4.1以后的版本就支持了内置的自旋锁实现，而各大类UNIX系统中也提供了pthread_spin_lock这样的自旋锁函数。那么为什么还要自己实现呢？

这是由于一些历史遗留问题和跨平台移植共同导致的结果，例如RHEL5 32位系统，其自带的gcc并不支持自旋锁，也没有pthread_spin_lock，但我们依旧需要使用自旋锁特性，那么只好自己动手丰衣足食了。

闲话少叙，代码奉上：

#define barrier() asm volatile ("": : :"memory")
#define cpu_relax() asm volatile ("pause\n": : :"memory")
static inline unsigned long xchg(void *ptr, unsigned long x)
{
    __asm__ __volatile__("xchg %0, %1"
                         :"=r" (x)
                         :"m" (*(volatile long *)ptr), "0"(x)
                         :"memory");
    return x;
}

void spin_lock(void *lock)
{
    unsigned long *l = (unsigned long *)lock;
    while (1) {
        if (!xchg(l, 1)) return;
        while (*l) cpu_relax();
    }
}

void spin_unlock(void *lock)
{
    unsigned long *l = (unsigned long *)lock;
    barrier();
    *l = 0;
}

int spin_trylock(void *lock)
{
    return !xchg(lock, 1);
}

可以看到，这里我们使用了内联汇编，且用到了汇编指令pause。

关于pause，给出pause指令的一段解释：

Improves the performance of spin-wait loops. When executing a
“spin-wait loop,” a Pentium 4 or Intel Xeon processor suffers a severe
performance penalty when exiting the loop because it detects a
possible memory order violation. The PAUSE instruction provides a hint
to the processor that the code sequence is a spin-wait loop. The
processor uses this hint to avoid the memory order violation in most
situations, which greatly improves processor performance. For this
reason, it is recommended that a PAUSE instruction be placed in all
spin-wait loops.

大意是说这个指令可以提升自旋等待的性能，这个指令将作为对处理器的一个线索或者暗示（hint），让处理器尽量避免该指令出现时可能存在的内存乱序存储问题。

同时这个指令也将降低自旋等待时的电力消耗。pause指令是Pentium 4处理器引入的。

上面的例子中，我们还使用了`volatile`关键字，这个关键字在网上有非常多的文章详细解释，主要是两方面作用：

• 告诉编译器该关键字部分不可以做任何优化
• 使用该关键字的变量每次必须从内存中读取，而不能放在cache或寄存器中备份

感谢阅读！