MCS自旋锁

Linux内核MCS锁机制的实现原理
四种自旋锁原理详解

// mcs.h
#ifndef __MCS_H__
#define __MCS_H__

#include <windows.h>

#ifdef __cplusplus
extern "C" {
#endif // __cplusplus

struct mcs_node_t_
{
	struct mcs_node_t_ **lock;        // ptr to tail of queue
	struct mcs_node_t_  *next;        // ptr to successor in queue
	HANDLE               readyFlag;   // set after lock is released by predecessor
	HANDLE               nextFlag;    // set after 'next' ptr is set by successor
};

typedef struct mcs_node_t_     mcs_local_node_t;
typedef struct mcs_node_t_*    mcs_lock_t;

void mcs_lock_acquire(mcs_lock_t *lock, mcs_local_node_t *node);

int mcs_lock_try_acquire(mcs_lock_t *lock, mcs_local_node_t *node);

void mcs_lock_release(mcs_local_node_t *node);

void mcs_node_transfer(mcs_local_node_t *new_node, mcs_local_node_t *old_node);


#ifdef __cplusplus
}
#endif // __cplusplus

#endif // !__MCS_H__
// mcs.c
#include "mcs.h"
#include <stdint.h>

inline void mcs_flag_set(HANDLE *flag)
{
	HANDLE e = (HANDLE)(int64_t)InterlockedCompareExchange64((volatile int64_t *)flag, (int64_t)-1, (int64_t)0);
	if (((HANDLE)(int)0 != e) && ((HANDLE)(int)-1 != e))
	{
		// 唤醒等待在e上的线程
		SetEvent(e);
	}
}

inline void mcs_flag_wait(HANDLE *flag)
{
	if ((int64_t)0 == InterlockedExchangeAdd64((volatile int64_t *)flag, (int64_t)0))
	{
		HANDLE e = CreateEvent(NULL, FALSE, FALSE, NULL);
		if (e)
		{
			if ((int64_t)0 == InterlockedCompareExchange64((volatile int64_t *)flag, (int64_t)e, (int64_t)0))
			{
				WaitForSingleObject(e, INFINITE);
			}

			CloseHandle(e);
		}
	}
}

/**
 * 获取锁
 * 先将lock的值赋值为node
 * 返回值pred如果为NULL表示当前锁处于空闲状态, 加锁成功
 * 不为NULL时表示有人使用, 更新pred->next
 * 
 * 问题1:node->next == 0, 为什么不会切断链表
 * 因为lock的值也在同步更新
 * 假设三个线程同时调用, 线程1最先获取到锁, 线程2,3的node分别为node2, node3
 *
 * 当线程3调用mcs_lock_acquire时lock的值为node2, 所以是对node2操作, 更新lock的值为node3, 同时将node3插入到node2后面
 * 此时链表为 node1->node2->node3
 */
void mcs_lock_acquire(mcs_lock_t *lock, mcs_local_node_t *node)
{
	mcs_local_node_t *pred;

	node->lock = lock;
	node->nextFlag = 0;
	node->readyFlag = 0;
	node->next = 0;

	pred = (mcs_local_node_t *)InterlockedExchangePointer((volatile PVOID *)lock, (PVOID)node);
	if (0 != pred)
	{
		InterlockedExchangePointer(((volatile PVOID*)&pred->next), ((PVOID)node));
		mcs_flag_set(&pred->nextFlag);
		mcs_flag_wait(&node->readyFlag);
	}
}

int mcs_lock_try_acquire(mcs_lock_t *lock, mcs_local_node_t *node)
{
	node->lock = lock;
	node->nextFlag = 0;
	node->readyFlag = 0;
	node->next = 0;

	return ((PVOID)InterlockedCompareExchangePointer(((volatile PVOID*)lock), ((PVOID)node), ((PVOID)0)) == (PVOID)0) ? 0 : EBUSY;
}

/**
 * 释放锁
 * 
 * 1、获取当前节点的下一个等待节点
 * 如果下一个节点为空, 
 *	  如果lock == node表示当前只有自己使用锁, 直接返回
 *    如果lock != node表示此时有人尝试获取锁并且已经修改了lock的值处于wait状态,所以需要更新next的值,调用mcs_flag_wait是等待pred->next更新完成
 * 不为空时, 此时node == node1(因为node1获取到锁, 能继续往下调用mcs_lock_release),下一个节点就是node2
 * 
 * 最后通知next, 解除线程阻塞
 */
void mcs_lock_release(mcs_local_node_t *node)
{
	mcs_lock_t *lock = node->lock;
	mcs_local_node_t *next =
		(mcs_local_node_t *)InterlockedExchangeAdd64((((volatile int64_t*)&node->next)), (((int64_t)0)));

	if (0 == next)
	{
		/* no known successor */
		if (node == (mcs_local_node_t *)InterlockedCompareExchangePointer(((volatile PVOID*)lock), ((PVOID)0), ((PVOID)node)))
		{
			/* no successor, lock is free now */
			return;
		}
		
		/* wait for successor */
		mcs_flag_wait(&node->nextFlag);
		next = (mcs_local_node_t *)
			InterlockedExchangeAdd64((((volatile int64_t*)&node->next)), (((int64_t)0))); /* MBR fence */
	}
	else
	{
		/* Even if the next is non-0, the successor may still be trying to set the next flag on us, therefore we must wait. */
		mcs_flag_wait(&node->nextFlag);
	}

	/* pass the lock */
	mcs_flag_set(&next->readyFlag);
}

void mcs_node_transfer(mcs_local_node_t *new_node, mcs_local_node_t *old_node)
{
	new_node->lock = old_node->lock;
	new_node->nextFlag = 0;
	new_node->readyFlag = 0;
	new_node->next = 0;

	if ((mcs_local_node_t *)InterlockedCompareExchangePointer(((volatile PVOID*)new_node->lock), ((PVOID)new_node), ((PVOID)old_node))
		!= old_node)
	{
		while (0 == old_node->next)
		{
			Sleep(0);
		}

		mcs_flag_wait(&old_node->nextFlag);

		new_node->next = old_node->next;
		new_node->nextFlag = old_node->nextFlag;
	}
}
// main.cpp
#include <iostream>
#include <thread>
#include "mcs.h"

using namespace std;

mcs_lock_t globalLock;

int64_t counter;

void work_thread()
{
	while (true)
	{
		mcs_local_node_t node;
		mcs_lock_acquire(&globalLock, &node);
		if (counter > 1000 * 1000) {
			mcs_lock_release(&node);
			break;
		}

		++counter;
		std::cout << GetCurrentThreadId() << ": " << counter << std::endl;
		
		mcs_lock_release(&node);

		Sleep(10);
	}
}

int main()
{
	std::thread thread(std::bind(work_thread));

	while (true)
	{
		mcs_local_node_t node;
		mcs_lock_acquire(&globalLock, &node);
		if (counter > 1000 * 1000) {
			mcs_lock_release(&node);
			break;
		}

		++counter;
		std::cout << GetCurrentThreadId() << ": " << counter << std::endl;
		mcs_lock_release(&node);

		Sleep(10);
	}
    
	thread.join();
	return 0;
}

此代码移植自pthread-win32

### 自旋锁的概念与实现方式 #### 1. 自旋锁的基本概念 自旋锁是一种轻量级的机制,主要用于多线程环境下的同步控制。当一个线程尝试获取时,如果已经被其他线程占用,则该线程不会立即进入阻塞状态,而是通过循环(即“自旋”)不断检查的状态,直到被释放[^3]。这种机制避免了线程在操作系统层面的上下文切换开销,但可能会导致 CPU 资源的浪费。 #### 2. 自旋锁的实现方式 自旋锁的实现通常依赖于原子操作,例如 CAS(Compare-And-Swap)。以下是一个简单的自旋锁实现示例: ```java public class SimpleSpinLock { private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>(); public void lock() { Thread currentThread = Thread.currentThread(); // 如果已被获取,则自旋等待 while (!owner.compareAndSet(null, currentThread)) { // 自旋等待 } } public void unlock() { Thread currentThread = Thread.currentThread(); owner.compareAndSet(currentThread, null); } } ``` 上述代码中,`lock()` 方法通过 CAS 操作尝试将的所有者设置为当前线程。如果设置失败,则线程会进入一个循环,持续检查的状态,直到成功获取[^3]。 #### 3. 自旋锁的类型 根据实现机制的不同,自旋锁可以分为以下几种类型: - **简单自旋锁**:如上文所示,是最基本的实现形式。 - **TicketLock**:采用类似排队叫号的机制,确保每个线程按照顺序获取,避免线程饥饿问题。 - **CLH **:基于链表的公平自旋锁,通过减少共享变量的访问来降低缓存一致性协议的开销。 - **MCS **:同样是基于链表的公平自旋锁,但每个线程仅自旋在其本地变量上,进一步降低了全局缓存一致性开销。 #### 4. 自旋锁的适用场景 自旋锁适用于持有时间较短的场景。在这种情况下,线程自旋消耗的 CPU 时间可能低于上下文切换的开销[^4]。然而,如果的持有时间较长,自旋锁可能导致不必要的 CPU 资源浪费,因此需要谨慎使用。 #### 5. 自旋锁的优缺点 - **优点**: - 避免了线程的上下文切换开销。 - 在竞争不激烈的情况下,性能表现优于传统的互斥[^4]。 - **缺点**: - 可能导致 CPU 资源的浪费。 - 不适合持有时间较长的场景。 #### 6. 适应性自旋锁 适应性自旋锁是一种改进的自旋锁机制,它会根据前一次获取的情况动态调整自旋的时间。如果线程在前一次自旋后成功获取了,则认为这次自旋成功的概率较高,从而允许更长时间的自旋;反之,则减少自旋时间或直接进入阻塞状态[^2]。 #### 7. 示例:Java 中的自旋锁应用 在 Java 并发编程中,自旋锁常用于高并发场景下的轻量级同步控制。例如,`AtomicInteger` 类中的 `getAndIncrement()` 方法实际上通过 CAS 操作实现了类似的自旋机制[^4]: ```java public final int getAndIncrement() { for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return current; } } ``` 上述代码中,如果 CAS 操作失败,线程会通过 `for(;;)` 循环继续尝试,直到操作成功。 ---
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