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11.并发:自旋锁

原子操作和自旋锁的区别

相同点都是保护共享资源。

不同点在于:

原子操作简单易用,但只能做计数操作,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。避免了上下文调度和系统开销较小。

自旋锁

加锁步骤

查看锁的状态

如果锁是空闲的,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两个步骤会出错。

解决方案

CAS函数把这两个步骤合并为一条硬件级指令。第1步的比较锁状态和第2步的锁变量赋值,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(Compare And Swap)函数,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紧密耦合,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)表示自旋锁的加锁操作

CAS(lock, pid, 0)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

//加锁
void spin_lock(spinlock_t *lock)

尝试获取自旋锁函数

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
与上面的区别就是非阻塞

int spin_trylock(spinlock_t *lock)

释放自旋锁

void spin_unlock(spinlock_t *lock);

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