C++实现自旋锁SpinLock

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已于 2024-10-25 10:31:53 修改 · 1.3k 阅读

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于 2024-10-25 10:31:29 首次发布

什么是自旋锁？

自旋锁是一种锁机制，用于多线程编程中保护共享资源。与普通的阻塞锁不同，自旋锁在获取不到锁时，线程不会被挂起，而是持续循环（“自旋”）检查锁是否可用。当锁被释放时，线程立即获取锁进入临界区。自旋锁适用于短时间的临界区操作，因为它避免了线程上下文切换的开销，但在长时间等待时会浪费大量 CPU 资源。

自旋锁是一种轻量级的同步机制，它通过自旋等待而不是阻塞线程的方式来协调多线程对共享资源的访问。自旋锁的特点是锁竞争时不会让线程睡眠，而是让其持续检查锁是否可用，直到成功获取锁。

锁状态维护：
- next：用来记录下一个可以申请锁的编号。每当一个线程尝试获取锁时，这个编号会通过 fetch_add() 递增并分配给当前线程。
- current：记录当前持有锁的线程编号。只有编号与 current 相等的线程可以进入临界区，其他线程需要等待。
lock() 函数：
- 每个线程通过调用 lock() 获取锁。它使用 next.fetch_add() 给当前线程分配一个编号。
- 然后线程进入自旋等待，持续检查 current 是否等于自己的编号。如果等于，说明轮到该线程进入临界区；否则继续等待。
- 为了避免长时间占用 CPU，std::this_thread::yield() 可以让线程主动让出 CPU 资源，允许其他线程执行。这样可以减少 CPU 的不必要消耗。
unlock() 函数：
- 当线程完成临界区任务时，调用 unlock() 函数释放锁。
- 它通过 current.fetch_add(1) 将当前的锁号递增，允许下一个持有锁号的线程进入临界区。

主函数 main() 模拟了多个线程同时竞争锁的情况。通过创建 4 个线程，每个线程都会尝试进入临界区执行任务。

test_critical_section() 函数：
- 每个线程在 lock() 成功获取锁后进入临界区，输出进入临界区的信息。
- 线程在临界区内进行一些模拟的工作（使用 sleep_for() 休眠 100 毫秒），然后离开临界区并调用 unlock() 释放锁。
- 离开临界区时输出相应的离开信息。
线程创建与管理：
- 通过一个循环创建多个线程，并让每个线程执行 test_critical_section() 函数。
- 每个线程尝试获取 SpinLock 实例中的锁，通过锁机制保证每个线程能按顺序进入和离开临界区。
- 使用 join() 确保主线程等待所有线程完成执行后才结束，防止程序过早退出。

#include <atomic>
#include <thread>
#include