【基础组件】手搓自旋锁（C++ 版本）—— 原子操作的最简单使用案例

原创

于 2025-09-07 17:27:44 发布 · 825 阅读

12 ·

CC 4.0 BY-SA版权

文章标签：

#c++ #开发语言

文章目录

介绍
自旋锁的 C++ 代码实现
- 代码测试
总结

推荐一个零声教育学习教程，个人觉得老师讲得不错，分享给大家：[Linux，Nginx，ZeroMQ，MySQL，Redis，fastdfs，MongoDB，ZK，流媒体，CDN，P2P，K8S，Docker，TCP/IP，协程，DPDK等技术内容，点击立即学习: https://github.com/0voice 链接。

介绍

我花费了 4 天的时间去思考撰写了一篇文章，专门介绍了 CPU 架构与原子操作的关系（原文链接在这）。在这篇文章里，我介绍过 CAS （compare-and-swap）原子操作，它是线程竞争公共变量失败后代价很低的函数（他直接返回布尔值 false，并且更新目标的左值取值），不过更重要的是他适合作线程的自旋锁，也就是本篇文章的主题。

什么是自旋锁

自旋锁是一种忙等待（Busy-Wait）的锁机制。当一个线程尝试获取一个已经被占用的自旋锁时，它不会立即放弃 CPU，而是会在一个循环中不断地检查锁的状态，直到锁变得可用为止。

它的行为就像你在厕所门口发现里面有人，你不是去找个地方坐下（让出CPU），而是在门前等待（循环检查），直到里面的人出来为止。

自旋锁的核心通常由一个原子标志（如 std::atomic 或 std::atomic_flag）实现，最常用的是 CAS（Compare-And-Swap）操作。CAS 操作失败了会立刻返回，而 CAS 操作成功抢到公共变量的内存就在几个 “时钟周期” 之内完成操作，然后就把公共资源分给其他 CPU 核心里的线程。在此期间，竞争公共变量失败的线程会进入短暂的死循环，他们是不会让出 CPU 的。一旦线程自旋锁解开，其他线程会立刻争先进入运算，抢夺成功后再把其他线程排斥开来。这是不会有上下文切换的消耗的（与互斥锁相比）。

使用自旋锁的关键是，锁住的资源的运算过程必须是极其短暂的，这样才会相对于互斥锁有优势。（互斥锁的优势在于执行运算时间较长的任务，因为竞争失败的线程是会让出 CPU 的，不会强行霸占 CPU 并且赖在那里作无限死循环。那么节省下来的计算机 CPU 资源就可以用来做其他任务了。）

再解 CAS 原子操作

compare_exchange_weak 和 compare_exchange_strong 两个原子操作都是 CAS 操作

#include <atomic>  //	头文件

atomic<T> 原子对象(某个 T 类型的变量)   ———— 这是拷贝原变量，再封装起来成原子对象。

原子对象.compare_exchange_weak(T& expected, T desired，success-mem-order, failure-mem-order)
原子对象.compare_exchange_strong(T& expected, T desired，success-mem-order, failure-mem-order)

对于原子操作来说（针对原子对象的操作，原子对象本质不是比较的对象，需要拆包，自己拆包后跟自己比，有可能其他线程抢先一步更改了）

bool compare_exchange_strong(expected, desired, succ，fail)

T& expected,                 // ① 输入：你猜的旧值；输出：现场看到的旧值（左值引用）
T desired,                   // ② 如果猜对了，要写入的新值
std::memory_order succ = std::memory_order_seq_cst,  // ③ 成功时的内存序(这个变量会否发布)
std::memory_order fail  = std::memory_order_seq_cst  // ④ 失败时的内存序(是否)

返回值的含义
		true → 比较相等且已写入 desired。
		false → 比较不等，什么都没改，expected 已被更新为现场值。

两者的功能完全相同：如果原子变量的当前值等于期望值 expected，则将其替换为 desired 值并返回 true；否则，将当前值加载到 expected 中并返回 false。

它们的唯一区别在于对待伪失败的态度。

compare_exchange_strong：绝对强保证。它只有在条件确实不满足（当前值 != expected）时才返回 false。这是我们通常理解的、逻辑上的“失败”。
compare_exchange_weak：允许伪失败。即使条件实际上满足（当前值 == expected），它也可能偶尔“抽风”一次而返回 false。这种“撒谎”的行为就是所谓的“伪失败”。

为什么会存在“伪失败”？
这主要是为了在某些硬件平台上（特别是 LL/SC 架构的CPU，如ARM, PowerPC, MIPS）实现更高的性能。

在这些平台上，compare_exchange 的底层实现通常分为两步：

Load-Linked (LL) / Load-Exclusive (LDREX)：从内存地址加载值，同时CPU会“监视”这个地址。
Store-Conditional (SC) / Store-Exclusive (STREX)：只有在被“监视”的地址在此期间没有被其他线程修改的情况下，存储才会成功。

如果在 LL 和 SC 之间，发生了任何其他事件（比如另一个线程访问了同一个缓存行，甚至只是一个无关的中断），都可能导致 SC 操作失败，即使该内存地址的值其实并没有改变！这就是 compare_exchange_weak 产生“伪失败”的硬件根源。

我使用的 Ubuntu 虚拟机的 CPU 架构是 x86-64：

维度	x86 / x86-64	ARM
公司	Intel 设计，AMD 等兼容	ARM Ltd. 设计，授权给各大厂商
指令集	CISC（复杂指令集）	RISC（精简指令集）
常用设备	PC、服务器、笔记本