文章目錄
1 前言
前面文章分別描述了互斥鎖和讀寫鎖的含義、屬性、使用原則、使用場景以及使用方法。本文描述除了互斥鎖、讀寫鎖外的第三種鎖——自旋鎖。
2 自旋鎖
自旋鎖（ Spin lock ）是線程間互斥的一種機制。自旋鎖本質是一把鎖，實現的功能與互斥鎖完全一樣，都是任一時刻只允許一個線程持有鎖，達到互斥訪問共享資源的目的。唯一的不同之處在於兩者的調度策略不一樣，線程申請不到互斥鎖時，會使線程睡眠讓出cpu資源，獲得互斥鎖後線程喚醒繼續執行；而自旋鎖阻塞後不會引起線程睡眠，一直佔用cpu資源直至獲得自旋鎖。自旋鎖是一種輕量級的鎖，相比互斥鎖，資源開銷更小，在極短時間的加鎖，自旋鎖是最理想的選擇，可以提高效率。
2.1 自旋鎖特點
自旋鎖的特點與其命名匹配，線程獲取不到鎖時就是一直處於忙等待（原地打轉？）狀態，佔用cpu的同時又不能處理任何任務。根據自旋鎖的特點，自旋鎖適用於佔用鎖時間極短的場景，長時間佔用自旋鎖會降低系統性能。如果訪問資源比較耗時，需長時間持有鎖的場景，則需考慮其他互斥機制。
- 用於線程互斥
- 阻塞一直佔用cpu資源
- 不可引起線程睡眠
- 輕量級的鎖
- 資源開銷小，包括創建、持有、釋放過程
2.2 自旋鎖適用場景
自旋鎖一開始是爲防止多核處理器（SMP）併發帶來競態而引入的一種互斥機制。 自旋鎖在用戶態使用得比較少，在內核態下，常見的驅動開發會經常用到自旋鎖。內核態下的自旋鎖使用可以參考文章併發與競態（如何選擇合適的保護機制）。自旋鎖適用於短期內進行輕量級的鎖定。
- 互斥資源訪問時間極短（加鎖時間短），小於2次上下文切換的時間
- 特殊場景，不希望掛起線程
2.3 自旋鎖使用原則
自旋鎖與互斥鎖一樣，自旋鎖使用原則可以參考互斥鎖的使用原則，互斥鎖的使用原則也是自旋鎖的基本使用原則。
- 加鎖時間極短，並及時釋放鎖
- 禁止嵌套（遞歸）申請持有自旋鎖，否則導致死鎖
- 避免過多的自旋鎖申請，防止cpu資源浪費
注：
申請持有自旋鎖時會一直佔用cpu，如果嵌套或者遞歸申請自旋鎖，在第二層申請鎖時，由於鎖被第一層持有，第二層獲取不到鎖一直處於等待狀態並佔用cpu，程序也無法跳出到最外層釋放鎖，導致死鎖發生。因此，遞歸程序中使用自旋鎖需謹慎
3 自旋鎖使用
自旋鎖使用的基本步驟爲：
【1】創建自旋鎖實例
【2】初始化自旋鎖
【3】持有自旋鎖
【4】釋放自旋鎖
【5】銷燬自旋鎖實例
3.1 創建自旋鎖
posix線程自旋鎖以pthread_spinlock_t數據結構表示。自旋鎖實例可以用靜態和動態創建。
pthread_spinlock_t spinlock；
3.2 初始化自旋鎖
自旋鎖初始化只支持使用pthread_rwlock_init函數進行動態初始化 。
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *spinlock, int pshared);
-
spinlock，自旋鎖實例地址，不能爲NULL -
pshared，自旋鎖作用域PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，進程內（創建者）作用域，只能用於進程內線程互斥PTHREAD_PROCESS_SHARED，跨進程作用域，用於系統所有線程間互斥 -
返回，成功返回0，參數無效返回 EINVAL
3.3 自旋鎖上鎖（申請鎖）
自旋鎖申請持有分爲阻塞方式和非阻塞方式，常用的一般是阻塞方式。
3.3.1 阻塞方式
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *spinlock);
-
spinlock，自旋鎖實例地址，不能爲NULL -
返回，成功返回0，參數無效返回 EINVAL
如果自旋鎖還沒有被其他線程持有（上鎖），則申請持有自旋鎖的線程獲得鎖。如果自旋鎖被其他線程持有，則線程一直處於等待狀態（佔用cpu），直到持自旋鎖的線程解鎖後，線程獲得鎖繼續執行。不允許遞歸嵌套申請自旋鎖，否則導致死鎖。
3.3.2 非阻塞方式
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t spinlock*);
spinlock，自旋鎖實例地址，不能爲NULL- 返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 成功 |
| EINVAL | 參數無效 |
| EDEADLK | 死鎖 |
| EBUSY | 鎖被其他線程持有 |
調用該函數會立即返回，不會阻塞等待。實際應用可以根據返回狀態執行不同的任務操作。
3.4 自旋鎖釋放
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *spinlock);
spinlock，自旋鎖實例地址，不能爲NULL- 返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 成功 |
| EINVAL | 參數無效 |
| EDEADLK | 死鎖 |
| EBUSY | 鎖被其他線程持有 |
自旋鎖持有後必須及時釋放，不允許多次釋放鎖。
3.5 自旋鎖銷燬
int pthread_spinlock_destroy(pthread_spinlock_t *spinlock);
spinlock，自旋鎖實例地址，不能爲NULL- 返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 成功 |
| EINVAL | spinlock已被銷燬過，或者spinlock爲空 |
| EBUSY | 自旋鎖被其他線程使用 |
pthread_spinlock_destroy用於銷燬一個已經使用動態初始化的自旋鎖。銷燬後的自旋鎖處於未初始化狀態，自旋鎖的屬性和控制塊參數處於不可用狀態。使用銷燬函數需要注意幾點：
- 已銷燬的自旋鎖，可以使用
pthread_spinlock_init重新初始化使用 - 不能重複銷燬已銷燬的自旋鎖
- 沒有線程持有自旋鎖時，才能銷燬
3.6 寫個例子
代碼實現功能：
- 創建兩個線程
- 兩個線程分別對全局變量訪問，並輸出到終端
- 期望結果，線程1輸出結果“ 1 2 3 4 5”，線程2輸出結果“5 4 3 2 1”
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include "pthread.h"
#define USE_SPINLOCK 1 /* 是否使用自旋鎖，使用，0不使用 */
#if USE_SPINLOCK
pthread_spinlock_t spinlock;
#endif
static int8_t g_count = 0;
void *thread0_entry(void *data)
{
uint8_t i =0;
#if USE_SPINLOCK
pthread_spin_lock(&spinlock);
#endif
for (i = 0;i < 5;i++)
{
g_count ++;
printf("%d ", g_count);
usleep(100);
}
printf("\r\n");
#if USE_SPINLOCK
pthread_spin_unlock(&spinlock);
#endif
}
void *thread1_entry(void *data)
{
uint8_t i =0;
usleep(10); /* 讓線程0先執行 */
#if USE_SPINLOCK
pthread_spin_lock(&spinlock);
#endif
for (i = 0;i < 5;i++)
{
printf("%d ", g_count);
g_count--;
usleep(100);
}
printf("\r\n");
#if USE_SPINLOCK
pthread_spin_unlock(&spinlock);
#endif
}
int main(int argc, char **argv)
{
pthread_t thread0,thread1;
void *retval;
#if USE_SPINLOCK
pthread_spin_init(&spinlock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);/* 進程內作用域 */
#endif
pthread_create(&thread0, NULL, thread0_entry, NULL);
pthread_create(&thread1, NULL, thread1_entry, NULL);
pthread_join(thread0, &retval);
pthread_join(thread1, &retval);
return 0;
}
不加自旋鎖的結果
由於不使用鎖，線程間併發執行，"同時"訪問全局變量g_count及printf輸出，實際結果沒有符合預期。
acuity@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/pthreads/spinlock$ gcc spinlock.c -o spinlock -lpthread
acuity@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/pthreads/spinlock$ ./spinlock
1 2 2 2 2 2 2 1 1 1
使用自旋鎖的結果
線程0持有鎖之後，訪問執行完後才釋放鎖，線程2申請到鎖，輸出結果正確。
acuity@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/pthreads/spinlock$ gcc spinlock.c -o spinlock -lpthread
acuity@ubuntu:/mnt/hgfs/LSW/STHB/pthreads/spinlock$ ./spinlock
1 2 3 4 5
5 4 3 2 1
代碼中，對printf函數加鎖，實際使用是不允許的，違反了加鎖的原則，這裏只是模擬場景測試。
4 自旋鎖屬性
自旋鎖是一種輕量級的鎖，屬性只有一個“作用域”，在調用pthread_spin_init函數初始化自旋鎖時指定作用域範圍。自旋鎖作用域表示自旋鎖的互斥作用範圍，分爲進程內（創建者）作用域PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和跨進程作用域PTHREAD_PROCESS_SHARED。進程內作用域只能用於進程內線程互斥，跨進程可以用於系統所有線程間互斥。
5 總結
自旋鎖實現的功能與互斥鎖一樣，都是用於線程間互斥訪問。自旋鎖是一種不會引起線程睡眠的輕量級鎖，適用於加鎖時間極短的場景，由於其資源開銷比互斥鎖低，在極短的加鎖場景使用自旋鎖效率會更高。自旋鎖的使用注意事項，結合互斥鎖文章2.3節的"互斥鎖使用原則"，參考2.3節的“自旋鎖使用原則”。至此，互斥鎖、讀寫鎖、自旋鎖描述完成，三者的特點差異，羅列出下表比較。
互斥鎖、讀寫鎖、自旋鎖對比
| 主要特點 | 引起線程睡眠 | 適用範圍 | 資源開銷 | |
|---|---|---|---|---|
| 互斥鎖 | 互斥 | 是 | 一般互斥訪問 | 普通 |
| 讀寫鎖 | 讀讀共享 | 是 | 多讀少寫 | 普通 |
| 自旋鎖 | 自旋等待 | 否 | 加鎖時間極短 | 低開銷 |