线程同步之自旋锁--SpinLock
什么是自旋锁
自旋锁(Spinlock)是一种广泛运用的底层同步机制。自旋锁是一个互斥设备，它只有两个值：“锁定”和“解锁”。它通常实现为某个整数值中的某个位。希望获得某个特定锁得代码测试相关的位。如果锁可用，则“锁定”被设置，而代码继续进入临界区；相反，如果锁被其他人获得，则代码进入忙循环（而不是休眠，这也是自旋锁和一般锁的区别）并重复检查这个锁，直到该锁可用为止，这就是自旋的过程。“测试并设置位”的操作必须是原子的，这样，即使多个线程在给定时间自旋，也只有一个线程可获得该锁。
自旋锁对于SMP和单处理器可抢占内核都适用。可以想象，当一个处理器处于自旋状态时，它做不了任何有用的工作，因此自旋锁对于单处理器不可抢占内核没有意义，实际上，非抢占式的单处理器系统上自旋锁被实现为空操作，不做任何事情。
曾经有个经典的例子来比喻自旋锁：A，B两个人合租一套房子，共用一个厕所，那么这个厕所就是共享资源，且在任一时刻最多只能有一个人在使用。当厕所闲置时，谁来了都可以使用，当A使用时，就会关上厕所门，而B也要使用，但是急啊，就得在门外焦急地等待，急得团团转，是为“自旋”，这也是要求锁的持有时间尽量短的原因！
自旋锁有以下特点：
- 用于临界区互斥
- 在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁
- 要求持有锁的处理器所占用的时间尽可能短
- 等待锁的线程进入忙循环
临界区和互斥：对于某些全局资源，多个并发执行的线程在访问这些资源时，操作系统可能会交错执行多个并发线程的访问指令，一个错误的指令顺序可能会导致最终的结果错误。多个线程对共享的资源的访问指令构成了一个临界区（critical section），这个临界区不应该和其他线程的交替执行，确保每个线程执行临界区时能对临界区里的共享资源互斥的访问。
自旋锁较互斥锁之类同步机制的优势
休眠与忙循环
互斥锁得不到锁时，线程会进入休眠，这类同步机制都有一个共性就是 一旦资源被占用都会产生任务切换，任务切换涉及很多东西的(保存原来的上下文，按调度算法选择新的任务，恢复新任务的上下文，还有就是要修改cr3寄存器会导致cache失效)这些都是需要大量时间的，因此用互斥之类来同步一旦涉及到阻塞代价是十分昂贵的。
一个互斥锁来控制2行代码的原子操作，这个时候一个CPU正在执行这个代码，另一个CPU也要进入， 另一个CPU就会产生任务切换。为了短短的两行代码 就进行任务切换执行大量的代码，对系统性能不利，另一个CPU还不如直接有条件的死循环，等待那个CPU把那两行代码执行完。
自旋过程
当锁被其他线程占有时，获取锁的线程便会进入自旋，不断检测自旋锁的状态。一旦自旋锁被释放，线程便结束自旋，得到自旋锁的线程便可以执行临界区的代码。对于临界区的代码必须短小，否则其他线程会一直受到阻塞，这也是要求锁的持有时间尽量短的原因！
自旋锁和互斥锁的区别
从实现原理上来讲，Mutex属于sleep-waiting类型的锁。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B)，它们分别运行在Core0和Core1上。
- 假设线程A想要通过 pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁，而此时这个锁正被线程B所持有，那么线程A就会被阻塞(blocking)，Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中， 此时Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。
- 而Spin lock则不然，它属于busy-waiting类型的锁，如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁，那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求，直到得到这个锁为止。
对于自旋锁来说，它只需要消耗很少的资源来建立锁；随后当线程被阻塞时，它就会一直重复检查看锁是否可用了，也就是说当自旋锁处于等待状态时它会一直消耗CPU时间。
对于互斥锁来说，与自旋锁相比它需要消耗大量的系统资源来建立锁；随后当线程被阻塞时，线程的调度状态被修改，并且线程被加入等待线程队列；最后当锁可用 时，在获取锁之前，线程会被从等待队列取出并更改其调度状态；但是在线程被阻塞期间，它不消耗CPU资源。
因此自旋锁和互斥锁适用于不同的场景
- 自旋锁适用于那些仅需要阻塞很短时间的场景
- 互斥锁适用于那些可能会阻塞很长时间的场景
使用C++实现自主实现自旋锁
#pragma once
#include <atomic>
class spin_lock {
private:
std::atomic<bool> flag = ATOMIC_VAR_INIT(false);
public:
spin_lock() = default;
spin_lock(const spin_lock&) = delete;
spin_lock& operator=(const spin_lock) = delete;
void lock(){ //acquire spin lock
bool expected = false;
while(!flag.compare_exchange_strong(expected, true));
expected = false;
}
void unlock(){ //release spin lock
flag.store(false);
}
};
测试文件
int num = 0;
spin_lock sm;
void thread_proc()
{
for(int i=0; i<10000000; ++i){
sm.lock();
++num;
sm.unlock();
}
}
