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);