【在Linux世界中追寻伟大的One Piece】自旋锁

1 -> 概述

自旋锁是一种多线程同步机制，用于保护共享资源避免受并发访问的影响。

在多个线程尝试获取锁时，它们会持续自选(即在一个循环中不断检查锁是否可用)而不是立即进入休眠状态等待锁的释放。

这种机制减少了线程切换的开销，适用于短时间内锁的竞争情况。但是不合理的使用，可能会造成CPU的浪费。

2 -> 原理

自旋锁通常使用一个共享的标志位(如一个布尔值)来表示锁的状态。当标志位为true时，表示锁已经被某个线程占用；当标志位为false时，表示锁可用。当一个线程尝试获取自旋锁时，它会不断检查标志位：

• 如果标志位为true(即锁已经被其他线程占用)，线程会在一个循环中不断自旋等待，直到锁被释放。
• 如果标志位为false，表示锁可用，线程将标志位设置为true，表示自己占用了锁，并进入临界区。

大致流程：

1. 尝试获取锁：当一个线程需要访问共享资源时，它会尝试获取自旋锁。如果锁已经被其他线程持有，则当前线程不会立即进入阻塞状态。
2. 自旋等待：当前线程会进入一个循环(通常称为“自旋”)，在这个循环中它会不断检查锁是否已经被释放。这通常是通过一个原子操作(如CAS，Compare-And-Swap)来实现的，该操作会检查锁的状态并尝试将其设置为已锁定。
3. 获取锁成功：如果锁已经被释放(即其他线程已经完成了对共享资源的访问并释放了锁)，则当前线程会成功获取锁，并退出自旋循环。
4. 执行临界区代码：一旦获取了锁，当前线程就可以安全地访问共享资源，并执行临界区代码。
5. 释放锁：完成临界区代码的执行后，当前线程会释放锁，以便其他线程可以获取锁并访问共享资源。

3 -> 优缺点及使用场景

3.1 -> 优点

• 低延迟：自旋锁适用于短时间内的锁竞争情况。因为它不会让线程进入休眠状态，从而避免了线程切换的开销，提高了锁的操作效率。
• 减少系统调度开销：等待锁的线程不会被阻塞，不需要上下文切换，从而减少了系统调度开销。

3.2 -> 缺点

• CPU资源浪费：如果锁的持有时间较长，等待获取锁的线程就会一直循环等待，导致CPU资源的浪费。
• 可能引起活锁：当多个线程同时自旋等待同一个锁时，如果没有适当的退避策略，可能会导致所有线程都在不断检查锁状态而无法进入临界区，形成活锁。

3.3 -> 使用场景

1. 短暂等待的情况：适用于锁被占用时间很短的场景，如多线程对共享数据进行简单的读写操作。
2. 多线程锁使用：通常用于系统底层，同步多个CPU对共享资源的访问。

4 -> 纯软件自旋锁类似的原理实现

自旋锁的实现通常使用原子操作来保证操作的原子性，常用的软件实现方式是通过CAS(Compare-And-Swap)指令实现。以下是一个简单的自旋锁实现示例(伪代码)：

#include <stdio.h>
#include <stdatomic.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>

// 使用原子标志来模拟自旋锁
atomic_flag spinlock = ATOMIC_FLAG_INIT; // ATOMIC_FLAG_INIT 是 0

// 尝试获取锁
void spinlock_lock() 
{
    while (atomic_flag_test_and_set(&spinlock)) 
    {
        // 如果锁被占用，则忙等待
    }
}

// 释放锁
void spinlock_unlock() 
{
    atomic_flag_clear(&spinlock);
}

typedef _Atomic struct
{
#if __GCC_ATOMIC_TEST_AND_SET_TRUEVAL == 1
    _Bool __val;
#else
    unsigned char __val;
#endif
} atomic_flag;

• 功能描述：atomic_flag_test_and_set函数检查atomic_flag的当前状态。如果atomic_flag之前没有被设置过(即其值为false或"未设置"状态)，则函数会将其设置为true(或"设置"状态)，并返回先前的值(在这种情况下为false)。如果atomic_flag之前已经被设置过(即其值为true)，则函数不会改变其状态，但会返回true。
• 原子性：这个操作是原子的，意味着在多线程环境中，它保证了对atomic_flag的读取和修改是不可分割的。当一个线程调用此函数时，其他线程无法看到这个操作的任何中间状态，这确保了操作的线程安全性。

Linux提供的自旋锁系统调用

#include <pthread.h>

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t* lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t* lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t* lock);
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t* lock, int pshared);
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t* lock);

注意：

• 在使用自旋锁时，需要确保锁被释放的时间尽可能短，以避免CPU资源的浪费。
• 在多CPU环境下，自旋锁可能不如其他锁机制高效，因为它可能导致线程在不同的CPU上自旋等待。

4.1 -> 结论

自旋锁是一种适用于短时间内锁竞争情况的同步机制，它通过减少线程切换的开销来提高锁操作的效率。然而，它也存在CPU资源浪费和可能引起活锁等缺点。在使用自旋锁时，需要根据具体的应用场景进行选择，并确保锁被释放的时间尽可能短。

5 -> 样例代码

// 操作共享变量会有问题的售票系统代码

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include <unistd.h>
#include <pthread.h>

int ticket = 1000;

//pthread_spinlock_t lock;
void* route(void* arg)
{
    char* id = (char*)arg;
    while (1)
    {
        //pthread_spin_lock(&lock);
        if (ticket > 0)
        {
            usleep(1000);
            printf("%s sells ticket:%d\n", id, ticket);
            ticket--;
            //pthread_spin_unlock(&lock);
        }
        else
        {
            //pthread_spin_unlock(&lock);
            break;
        }
    }

    return nullptr;
}

int main(void)
{
    //pthread_spin_init(&lock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);
    pthread_t t1, t2, t3, t4;

    pthread_create(&t1, NULL, route, (void*)"thread 1");
    pthread_create(&t2, NULL, route, (void*)"thread 2");
    pthread_create(&t3, NULL, route, (void*)"thread 3");
    pthread_create(&t4, NULL, route, (void*)"thread 4");

    pthread_join(t1, NULL);
    pthread_join(t2, NULL);
    pthread_join(t3, NULL);
    pthread_join(t4, NULL);

    //pthread_spin_destroy(&lock);
}

感谢各位大佬支持！！！

互三啦！！！