Linux自旋锁

原子操作

• 简单易用
• 只能作计数操作，保护的东西太少

自旋锁

主要用于多核处理器

• 短时期的轻量级加锁

• 加锁失败时，原地打转、忙等待

• 避免上下文调度、系统开销较小

加锁步骤：

1. 查看锁的状态，如果锁是空闲的
2. 将锁设置为当前线程持有

存在问题

在没有 CAS 函数前，多个线程同时执行这 2 个步骤是会出错的。

解决方案

CAS 函数把这 2 个步骤合并为一条硬件级指令。这样第 1 步比较锁状态和第 2 步锁变量赋值，将变为不可分割的原子指令(硬件同步原语)

CAS 函数

自旋锁使用CPU 提供的 CAS 函数（Compare And Swap），在用户态代码中完成加锁与解锁操作

PAUSE 指令

自旋锁并不一直"忙等待"，会与 CPU紧密配合 ，它通过 CPU 提供的 PAUSE 指令，减少循环等待时的耗电量；对于单核CPU，忙等待并没有意义，此时它会主动把线程休眠。

自旋锁原理

• 设自旋锁为变量 lock，整数 0 表示锁是空闲状态，整数 pid 表示线程 ID
  • CAS(lock, 0, pid) 就表示自旋锁的加锁操作
  • CAS(lock, pid,0) 则表示自旋锁的解锁操作

自旋锁伪代码

while (true) {
//因为判断lock变量的值比CAS操作更快，所以先判断lock再调用CAS效率更高
if (lock == 0 && CAS(lock, 0, pid) == 1) 
	return;
	
if (CPU_count > 1 ) { 
	//如果是多核CPU，“忙等待”才有意义
	for (n = 1; n < 2048; n <<= 1) {
		//pause的时间，应当越来越长
		for (i = 0; i < n; i++) 
			pause();//CPU专为自旋锁设计了pause指令
	if (lock == 0 && CAS(lock, 0, pid)) 
	return;//pause后再尝试获取锁
	}
}

sched_yield();//单核CPU，或者长时间不能获取到锁，应主动休眠，让出CPU
}

自旋锁相关API

定义自旋锁

spinlock_t s_lock ;

初始化自旋锁

int spin_lock_init(spinlock_t *lock);

获取自旋锁函数

void spin_lock(spinlock_t *lock);

尝试获取自旋锁函数

int spin_trylock(spinlock_t *lock);

• 尝试获取一次，获取成功返回“true”,获取失败返回“false”。程序继续往下执行

释放自旋锁

void spin_unlock(spinlock_t *lock);