你知道底层自旋锁是如何实现的吗

最新推荐文章于 2025-06-19 21:00:54 发布
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#C #linux内核 #汇编 #amp #pc

本文探讨了自旋锁在C语言和汇编层面的实现，包括自旋锁的结构体定义、初始化、上锁与解锁接口，以及汇编级别的`raw_spin_lock`和`raw_spin_unlock`详细步骤。通过解析这些代码，读者可以深入理解自旋锁的工作机制。

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我们在开发中，经常会用到自旋锁，对于使用接口来讲，仿照例子谁都会用，但是你知道其是如何实现自旋的吗？今天我们就来讨论一下其实现原理。

1、首先，我们需要实现一个结构体用于自旋锁的使用

     typedef struct spinlock{

                volatile unsigned int slock;

     }spinlock_t;

      接下来我们就要定义接口了；


2、接口实现

    （1）初始化接口

             ＃define  spin_lock_init(lock)   \

                 do{  \

                     ((spinlock_t *)lock)->slock = 0x0;   \      /*相当于赋初值*/

                }while(0)

      （2）上锁接口

               static  inline void spin_lock(spinlock_t *lock)

              {

                       raw_spin_lock(&lock->slock);

              }

         (3)释放锁

               static inline spin_unlock(spinlock_t *lock)

               {

                      raw_spin_unlock(&lock->slock);

               }


3、更底层汇编实现

       大家可以看到上边上锁和解锁都调用了另外两个函数，这两个函数才是自旋锁的精华所在，下边我们来具体讨论一下


        raw_spin_lock:

                  mov  r1,#1         @1-->r1

                  DSB

               take_again:

                  LDREX     r2,[r0]            @把r0的内容赋给r2,同时置全局标志exclusive

                  STREX     r3,r1,[r0]        @尝试将r1写入到锁里边，首先检查exclusive是否存在，如果存在则将r1-->r0,r3 = 0，并清除exclusive标志，否则1--->r3，结束

                  TEQ         r3,#0

                  BNE       take_again

                  TEQ        r2,#0

                  BNE       take_again

                  MOV       pc,lr                @返回


         raw_spin_unlock:

                DSB

                MOV r1,#0

                STR  r1,[r0,#0]                  @为0，标示锁已释放

                DSB

                MOV  pc,lr


         经过这两段代码，是不是对自旋锁的实现更加清晰明了了？


4、如果想在自旋锁的同时锁中断和开中断怎么办呢？只需要在获取锁和释放锁接口里加上类似于local_irq_save和local_irq_restore之类的中断控制函数即可

自旋锁的实现原理
Liu_G的博客
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自旋锁的实现原理 自旋锁的介绍 自旋锁和互斥锁比较相似，都是为了实现保护共享资源而提出的一种锁机制，在任何一个时刻，只有一个执行单元可以获取该锁，如果该锁已经被别的单元占用，那么调用者便会进行CPU空转消耗并且时刻关注该所是否已经被释放，直到自己获取该锁为止。 自旋锁的特点 相对于互斥锁，自旋锁是一种轻量级的锁，在有别的线程获取了该锁，需要进行自旋等待的时候，CPU依然占用着该线程资源不放，不会切换到其他线程去执行，因此，在等待时间较长的时候是不适用自旋锁的，这会拜拜消耗大量的CPU性能。 而
操作系统中的多线程问题——原子操作、自旋锁的底层实现
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07-14 660
操作系统中的原子操作、自旋锁的底层实现。
你知道底层自旋锁是怎样实现的吗
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Mybatis
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MyBatis是一款半自动化的持久层框架，主要用于简化Java程序与数据库的交互操作。文章介绍了MyBatis的基本概念、工作原理及核心功能，重点讲解了其在SpringBoot项目中的集成使用。内容包括数据库配置、Mapper接口编写、参数传递方式（单参数、多参数、实体类）、CRUD操作实现（注解和XML两种方式），以及#{}与${}占位符的区别和动态SQL的使用技巧。此外还详细阐述了结果集映射的三种解决方案和SQL片段复用方法。通过本文可以全面掌握MyBatis的基础应用及其在数据库操作中的优势，包括SQ
自旋锁的原理实现
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import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;//boolean compareAndSet(V expect, V update)//如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值public class SpinLockDemo implements Runnable{ private static int sum;...
自旋锁（Spinlock）的底层实现原理
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03-20 2086
源码参考自鸿蒙内核 v26.08的自旋锁实现源码。
自旋锁是什么，是如何实现的？
qq_35238352的博客
05-11 659
自旋锁是一种互斥锁的实现方式而已，相比一般的互斥锁会在等待期间放弃cpu（通过休眠阻塞线程，使其挂起），自旋锁（spinlock）则是不断循环并测试锁的状态，一直占着cpu，处于“忙等”阻塞状态。 主要使用场景：锁持有的时间短，而且线程并不希望在重新调度上花太多的成本。 ...
Jave 面试 CAS就这?底层与原理与自旋锁
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自旋锁SpinLock唉….刚写完了!别白嫖啊,点赞关注,给你们福利啊~~转载请标注! 好兄弟们,不会真有人看不懂CAS吧?反正我是没看懂… 一. CAS是什么? import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; /** * 1. CAS...
spinlocks:各种自旋锁实现和基准测试
07-06
- **测试目的**：评估不同自旋锁实现的性能，包括获取和释放锁的时间、CPU利用率和锁竞争情况。 - **测试工具**：可以使用微基准测试框架，如`benchmark`库，创建多线程场景模拟并发访问，收集性能数据。 - **...
利用C++11原子量如何实现自旋锁详解
12-26
实际上许多其他类型的锁在底层使用了自旋锁实现，例如多数互斥锁在试图获取锁的时候会先自旋一小段时间，然后才会休眠。如果在持锁时间很长的场景下使用自旋锁，则会导致CPU在这个线程的时间片用尽之前一直消耗在无...
自旋锁实现机理 spin_lock
u011721450的博客
11-23 1988
自旋锁的概念 自旋锁（spin lock）是一种典型的对临界资源进行互斥访问的手段，它是基于系统原子操作为基础，自旋锁最多只能被一个可执行线程持有，如果一个执行线程试图获得一个被已经持有（争用）的自旋锁，那么该线程就会一直进行忙循环-旋转-等待锁重新可用，要是锁未被争用，请求锁的执行线程就可以立即得到它，继续执行。 先看一下自旋锁实现的数据结构： typedef struct { union { u32 slock; struct __raw_tickets { u16 owner;
Linux内核同步机制的自旋锁原理及综合应用实例
10-19
自旋锁是专为防止多处理器并发而引入的一种锁，它在内核中大量应用于中断处理等部分(对于单处理器来说，防止中断处理中的并发可简单采用关闭中断的方式，即在标志寄存器中关闭/打开中断标志位，不需要自旋锁)。
自旋锁原理
sanguote的博客
02-27 671
/  **    不可重入锁*/public class BadSpinLock { AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<Thread>();//持有自旋锁的线程对象      public void lock() {          Thread cur = Thread.currentThread()...
Synchronized自旋锁的实现原理及代码详解
lssffy的博客
09-29 1597
通过本文的学习，我们深入探讨了的自旋锁机制及其在Java中的实现。自旋锁作为一种优化手段，能够在短时间锁竞争的场景下显著提升性能，减少线程的阻塞和上下文切换。我们通过代码示例展示了自旋锁的实现，并分析了其优劣势。自旋锁并不适合所有场景，但通过JVM中的自适应自旋锁优化，它能够在合适的场景下大幅提高系统的并发性能。开发者需要根据实际需求选择合适的锁机制，结合场景进行性能调优。
自旋锁的实现
weixin_39406672的博客
10-03 173
package Juc; import java.util.concurrent.TimeUnit; import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference; /** * 自旋锁的手动实现 * 原理对当前线程进行CAS比较交换操作，当第一个线程进入后，期待值为null， * 更新值为当前线程，第二个线程进入由于期待值(null)与主存有值违背...
自旋锁基本原理
Andy的博客
01-27 1639
自旋锁基本原理 轻量级锁在加锁过程中，用到了自旋锁 所谓自旋，就是指当有另外一个线程来竞争锁时，这个线 程会在原地循环等待，而不是把该线程给阻塞，直到那个 获得锁的线程释放锁之后，这个线程就可以马上获得锁的。 注意，锁在原地循环的时候，是会消耗 cpu 的，就相当于 在执行一个啥也没有的 for 循环。 所以，轻量级锁适用于那些同步代码块执行的很快的场景， 这样，线程原地等待很短的时间就能够获得锁了。 自旋锁的使用，其实也是有一定的概率背景，在大部分同 步代码块执行的时间都是很短的。所以通过看似无异议的
操作系统：自旋锁的原理与优化
m0_73915763的博客
08-29 1476
自旋锁（spin lock）与互斥锁（mutex）类似，任时刻只有一个线程能够获得锁。当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其它线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断的判断锁是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。在获取锁的过程中，线程一直处于活跃状态。因此与mutex不同，spinlock不会导致线程的状态切换(用户态->内核态)，一直处于用户态，即线程一直都是active的；不会使线程进入阻塞状态，减少了不必要的上下文切换，执行速度快。
互斥锁 vs 自旋锁：底层机制详细解析
欢迎指正、交流
05-26 9497
本文详细解析互斥锁与自旋锁的底层机制，帮助你掌握高效并发编程的核心技术。
自旋锁使用的优势、自旋锁的底层实现原理、为什么自旋锁不能睡眠?
最新发布
08-01
<think>首先，用户的问题是关于自旋锁的：他想了解自旋锁的优势、底层实现原理以及为什么不能睡眠。我需要基于提供的引用内容来回答，因为这些是系统级指令中指定的参考。 参考引用： - [^1]: 解释了自旋锁的核心思想：线程在锁被占用时自旋（忙循环），占用CPU资源，直到锁可用。避免长时间自旋，可能设置最大自旋次数或时间。 - [^2]: 提到互斥锁和自旋锁是基本锁类型。互斥锁可能实现为先自旋一段时间，然后睡眠。自旋锁在短时间占用锁时效率高。 - [^3]: 描述了自旋锁的简单核心思想：线程尝试获取锁，如果被占用，则自旋检测锁状态，直到可用。 - [^4]: 讨论死锁问题，但可能不直接相关。 - [^5]: 关于Java中的synchronized修饰符，但似乎不直接相关。 用户的问题： 1. 自旋锁的优势 2. 底层实现原理 3. 为什么不能睡眠 我需要结构化回答： - 回答结构清晰，逐步解决问题。 - 使用中文。 - 行内数学表达式用 $...$，但这里可能不需要数学，因为主题是锁。 - 独立公式用 $$...$$，但同样可能不适用。 - 生成相关问题。 - 在引用段落末尾添加引用标识。 大纲回答： 1. **自旋锁的优势**： - 基于引用[^1]和[^2]，优势是对于短时间临界区操作，效率高，因为避免了线程切换的开销。线程在自旋时直接获取锁，而不进入睡眠状态。 - 引用[^2]说：在并发运算中使用互斥锁（每次占用锁的时间很短）的效果可能不亚于使用自旋锁，但自旋锁在短操作中更优。 2. **底层实现原理**： - 基于引用[^1]和[^3]，原理是：线程尝试获取锁（通过原子操作如CAS），如果锁被占用，线程进入循环（自旋），不断检查锁状态。当锁释放时，线程立即获取。 - 引用[^1]提到：自旋锁的核心思想是线程在循环中检测锁状态。 - 引用[^3]：线程在循环中不断检测锁的状态。 3. **为什么不能睡眠**： - 自旋锁的本质是避免睡眠，因为睡眠会导致线程切换，增加开销。自旋锁适用于短时间等待，如果睡眠，会失去自旋的优势。 - 引用[^1]：自旋期间线程占用CPU资源，避免睡眠的开销。如果自旋时间过长，可能切换到其他策略如睡眠。 - 引用[^2]：互斥锁可能先自旋再睡眠，但纯自旋锁不睡眠。 现在，生成相关问题： - 基于主题，相关问题应涉及自旋锁的应用、优化、与互斥锁的比较等。 - 例如： 1. 自旋锁在哪些场景下最有效？ 2. 如何优化自旋锁以避免CPU浪费？ 3. 自旋锁和互斥锁的主要区别是什么？ 回答结构： - 先回答优势。 - 然后解释实现原理。 - 最后解释为什么不能睡眠。 - 结束时添加相关问题。 确保语言自然，使用中文。</think>### 自旋锁的优势、实现原理及不能睡眠的原因 自旋锁是一种轻量级的同步机制，主要用于多线程环境中保护临界区资源。下面我将基于系统提供的引用内容，逐步解释自旋锁的优势、底层实现原理，以及为什么它不能睡眠。回答将分为三个部分，确保结构清晰可靠。 #### 1. **自旋锁的优势** 自旋锁的核心优势在于其高效性，尤其适用于**短时间临界区操作**的场景。具体优势包括： - **低延迟获取锁**：当锁被占用时，线程不会立即进入睡眠状态，而是通过“忙循环”（自旋）不断检测锁状态。这避免了线程切换的开销（如上下文切换和调度），从而在锁可用时能立即响应。引用[^2]提到，在并发运算中，如果每次占用锁的时间很短，自旋锁的效率可能不亚于互斥锁[^2]。 - **CPU资源高效利用**：对于多核处理器系统，自旋锁允许线程在等待时持续占用CPU核心，减少空闲时间。这在低竞争场景下能显著提升性能。引用[^1]指出，自旋锁的“自旋”过程会一直重复执行检查锁状态的代码，直到满足条件，这在高并发短任务中非常高效[^1]。 - **简单实现**：自旋锁的实现逻辑简单，通常只需原子操作（如CAS指令），减少了系统调用的复杂性。 然而，自旋锁不适合长时间等待的场景，因为长时间自旋会浪费CPU资源。为此，实际实现中常设置最大自旋次数或时间阈值，以平衡性能[^1]。 #### 2. **底层实现原理** 自旋锁的底层实现依赖于**原子操作和忙循环**机制，确保线程在锁竞争时高效等待。原理可分解为以下步骤： - **尝试获取锁**：线程通过原子操作（如Compare-and-Swap, CAS）尝试获取锁。如果锁未被占用（状态为0），线程立即设置锁状态为占用（例如设为1），并进入临界区。 - **自旋等待**：如果锁已被其他线程占用，当前线程进入一个循环（即自旋），不断检测锁状态的变化。引用[^3]详细描述了这一过程：当一个线程需要访问临界区时，它会不断检测锁的状态，直到锁被释放[^3]。 - **释放锁**：线程完成临界区操作后，通过原子操作将锁状态重置为可用（例如设为0），允许其他自旋线程获取锁。 在代码层面，自旋锁通常用低级语言实现（如C/C++或汇编），利用处理器支持的原子指令。例如： ```c // 伪代码示例：自旋锁的简单实现 typedef struct { int lock_flag; // 锁状态：0表示可用，1表示占用 } spinlock_t; void spin_lock(spinlock_t *lock) { while (atomic_cas(&amp;lock->lock_flag, 0, 1) != 0) { // 自旋循环：不断尝试CAS操作，直到成功 // 原子操作确保检测和设置是线程安全的 } } void spin_unlock(spinlock_t *lock) { atomic_set(&amp;lock->lock_flag, 0); // 原子释放锁 } ``` 这里，`atomic_cas` 是一个原子操作，比较并交换锁状态。如果锁状态为0（可用），则设置为1（占用）；否则，线程在循环中自旋[^3]。引用[^1]强调，这种设计避免了复杂的系统调用，直接在用户态或内核态实现[^1]。 #### 3. **为什么不能睡眠** 自旋锁**不能睡眠**的核心原因是其设计目标：确保线程在等待锁时保持活跃状态，以最小化延迟。具体分析如下： - **避免线程切换开销**：睡眠会导致线程从运行状态切换到阻塞状态，这涉及上下文保存、调度器介入和唤醒操作，开销较大（通常需数百纳秒至微秒级）。引用[^2]提到，互斥锁的实现可能先自旋一段时间，如果超时再睡眠，但纯自旋锁完全避免睡眠，以消除这种延迟[^2]。 - **保持自旋特性**：自旋锁的本质是“忙等待”，即线程在循环中占用CPU资源持续检测锁状态。如果线程在自旋期间睡眠，它会失去CPU占用权，无法及时响应锁释放事件，从而破坏自旋锁的低延迟优势。引用[^1]解释，自旋期间线程会一直占用CPU资源，这是自旋锁的重要特点；如果睡眠，就等同于退化为互斥锁[^1]。 - **死锁风险**：在自旋锁中睡眠可能导致死锁。例如，如果线程在持有锁时睡眠（如调用系统函数），其他自旋线程会无限等待，引用[^4]通过死锁案例分析展示了类似风险[^4]。因此，自旋锁的API通常禁止在临界区内调用可能导致睡眠的函数（如I/O操作）。 总之，自旋锁通过牺牲CPU资源（在等待时持续占用核心）来换取低延迟，适用于锁持有时间短的场景。如果等待时间过长，应切换到互斥锁或其他睡眠机制[^1][^2]。
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