自旋锁
自旋锁(Spinlock)是一种常用于多线程编程中的低开销锁,其特点是当线程尝试获取锁而锁已被其他线程占用时,该线程会处于一个持续的忙等待(busy-wait)状态,直到它可以获取到锁为止。这种方法避免了线程切换和上下文切换的开销,但是如果锁被持有的时间较长,它可能会造成CPU时间的浪费。
自旋锁最适用于以下经典场景:
-
短临界区:当需要保护的代码执行非常快,锁的持有时间非常短时,自旋锁是非常有效的。
-
低竞争:当很少有线程试图同一时间获取锁时,自旋锁是有用的。
-
实时系统:在某些实时系统中,线程切换和上下文切换的代价可能非常高,自旋锁可能是一个更好的选择,因为它们可以确保线程在短时间内完成其工作。
-
无法睡眠的环境:在某些环境中,如内核中断处理程序或其他不允许睡眠的环境中,使用自旋锁可能是唯一的同步选项。
-
多核和多处理器系统:在多核和多处理器的系统中,当一个线程在一个核上忙等待,另一个线程可能在另一个核上释放锁,这种情况下,自旋锁可能比其他类型的锁更高效。
然而,值得注意的是,如果锁可能被持有很长时间或有高竞争的情况,自旋锁可能不是一个好的选择,因为它可能导致大量的CPU时间浪费。在这种情况下,其他的锁机制,如互斥锁或读写锁,可能是更好的选择。
实现自旋锁
使用原子变量实现自旋锁涉及到利用原子操作来确保锁的原子性。以下是使用C11中的stdatomic.h
来实现一个简单的自旋锁:
#include <stdio.h>
#include <stdatomic.h>
#include <pthread.h>typedef struct {atomic_flag flag;
} spinlock_t;void spinlock_init(spinlock_t *lock) {atomic_flag_clear(&lock->flag);
}void spinlock_lock(spinlock_t *lock) {while (atomic_flag_test_and_set(&lock->flag));
}void spinlock_unlock(spinlock_t *lock) {atomic_flag_clear(&lock->flag);
}spinlock_t lock;
int shared_data = 0;void *worker(void *arg) {for (int i = 0; i < 100000; ++ i) {spinlock_lock(&lock);shared_data ++;spinlock_unlock(&lock);}pthread_exit(0);
}int main() {pthread_t t1, t2;spinlock_init(&lock);pthread_create(&t1, NULL, worker, NULL);pthread_create(&t2, NULL, worker, NULL);pthread_join(t1, NULL);pthread_join(t2, NULL);printf("Shared data: %d\n", shared_data);pthread_exit(0);
}
这里的关键是atomic_flag_test_and_set
函数,它检查atomic_flag
的当前值,如果它是false
(即锁未被持有),则设置它为true
(锁被持有)并返回原始值。这个操作是原子的,意味着在多线程环境中,只有一个线程能够成功地将flag设置为true
。其他尝试获取锁的线程将会在while循环中自旋,直到锁被释放。
在 C11 标准中,atomic_flag
的默认/初始状态是未设置(即其值为false
)。当使用atomic_flag_clear()
函数时,会将其设置回这个未设置状态。
但要注意,当使用atomic_flag
变量时,为了确保其正确初始化,应该使用宏ATOMIC_FLAG_INIT
。例如:
spinlock_t mylock = { ATOMIC_FLAG_INIT };
在上述自旋锁示例中,我们使用了atomic_flag_clear()
函数来确保在初始化后标志是清除的(即设置为false
)。
补充
atomic_flag
atomic_flag
是C11标准中定义的一种原子类型,用于实现原子标记。它是原子操作库中最基础的组件,并且是确保原子性的最简单工具。原子类型的目的是在多线程环境中提供对单个数据的无锁访问,以确保数据操作的原子性。
以下是关于atomic_flag
的一些关键点:
-
简单性:
atomic_flag
只有两个可能的状态:设置(true)和未设置(false)。 -
原子性:操作
atomic_flag
的函数都是原子的,这意味着在多线程环境中对其进行的操作都是不可分割的。当一个线程在操作它时,其他线程无法干扰这个操作。 -
操作:
atomic_flag_test_and_set
:这个函数检查atomic_flag
的当前状态。如果它未被设置,函数会设置它并返回先前的值。这个函数通常用于尝试获取锁。atomic_flag_clear
:这个函数将atomic_flag
重置为未设置状态。这个函数通常用于释放锁。
-
初始化:要正确初始化
atomic_flag
,应使用ATOMIC_FLAG_INIT
宏。 -
用途:由于其简单性,
atomic_flag
通常用于构建更复杂的同步原语,如自旋锁。 -
无锁保证:
atomic_flag
提供了锁自由的保证。这意味着在其操作中不存在可能导致线程阻塞的锁。这是利用硬件提供的原子操作来实现的。
总的来说,atomic_flag
是一个低级的同步原语,通常用于构建高级的同步工具或数据结构。尽管它看起来简单,但其提供的原子性保证使其在并发编程中非常有价值。
atomic_flag_clear()
atomic_flag_clear()
是 C11 和 C++11(及更高版本)中的原子操作库的一部分,专门用于操作 atomic_flag
类型。它的主要作用是将 atomic_flag
对象的状态重置为“清除”状态。
以下是关于 atomic_flag_clear()
的详细介绍:
-
函数签名:
void atomic_flag_clear(volatile atomic_flag *obj); void atomic_flag_clear(atomic_flag *obj);
-
参数:
obj
: 指向要清除的atomic_flag
对象的指针。
-
返回值:
- 这个函数没有返回值。
-
功能:
atomic_flag_clear()
函数将给定的atomic_flag
对象的状态设置为清除状态(也就是false
或未设置状态)。
-
原子性:
atomic_flag_clear()
函数的操作是原子的,这意味着它是不可分割的。当一个线程调用此函数来清除标记时,其他线程无法看到这个操作的任何中间状态。这确保了对该标记的所有操作都是线程安全的。
-
常见用途:
- 通常,在使用
atomic_flag
作为自旋锁的基础时,当线程释放锁时,它会调用atomic_flag_clear()
来标记锁为可用。
- 通常,在使用
-
注意事项:
- 在调用
atomic_flag_clear()
之前,通常会有一些其他的原子检查或操作来确定标记是否已经被设置,以确保正确的并发行为。
- 在调用
总之,atomic_flag_clear()
是一个基础的原子操作,它为更复杂的并发控制结构(如自旋锁)提供了基本的线程安全释放机制。
atomic_flag_test_and_set()
atomic_flag_test_and_set()
是 C11 和 C++11 标准(及更高版本)中的原子操作库的一部分,主要用于 atomic_flag
类型。这个函数的主要功能是测试 atomic_flag
的当前状态,并将其设置为 true
。这一操作是原子的,确保在多线程环境下其行为是一致的和预期的。
以下是关于 atomic_flag_test_and_set()
的详细介绍:
-
函数签名:
bool atomic_flag_test_and_set(volatile atomic_flag *obj); bool atomic_flag_test_and_set(atomic_flag *obj);
在 C++ 中,还有一个额外的重载版本,支持
memory_order
参数,允许指定该操作的内存序语义。 -
参数:
obj
: 指向要测试和设置的atomic_flag
对象的指针。
-
返回值:
- 如果
atomic_flag
之前的状态是已设置(true
),则返回true
;否则返回false
。
- 如果
-
功能:
atomic_flag_test_and_set()
函数首先检查给定的atomic_flag
对象的状态。- 如果其状态为未设置(
false
),则将其设置为true
并返回false
。 - 如果其状态已经是设置的(
true
),则保持其状态并返回true
。
-
原子性:
atomic_flag_test_and_set()
函数的操作是原子的。这意味着当一个线程正在执行此函数时,其他线程无法干扰或看到这个操作的任何中间状态。这是并发编程中非常关键的特性,尤其是在实现如自旋锁这样的并发控制结构时。
-
常见用途:
atomic_flag_test_and_set()
常被用作基于atomic_flag
的自旋锁的核心。如果一个线程尝试获取锁(通过调用atomic_flag_test_and_set()
)并且返回false
,这意味着该线程成功获取了锁。如果返回true
,则锁已经被其他线程持有,因此该线程必须等待或尝试其他操作。
-
注意事项:
- 当使用
atomic_flag_test_and_set()
函数时,应该始终确保对应的atomic_flag
在使用前已经被清除(使用atomic_flag_clear()
)。
- 当使用
总之,atomic_flag_test_and_set()
提供了一种在多线程环境中原子地测试和设置标志的方法,它是许多并发控制结构的基础。