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1 前言
前面文章分别描述了互斥锁和读写锁的含义、属性、使用原则、使用场景以及使用方法。本文描述除了互斥锁、读写锁外的第三种锁——自旋锁。
2 自旋锁
自旋锁（ Spin lock ）是线程间互斥的一种机制。自旋锁本质是一把锁，实现的功能与互斥锁完全一样，都是任一时刻只允许一个线程持有锁，达到互斥访问共享资源的目的。唯一的不同之处在于两者的调度策略不一样，线程申请不到互斥锁时，会使线程睡眠让出cpu资源，获得互斥锁后线程唤醒继续执行；而自旋锁阻塞后不会引起线程睡眠，一直占用cpu资源直至获得自旋锁。自旋锁是一种轻量级的锁，相比互斥锁，资源开销更小，在极短时间的加锁，自旋锁是最理想的选择，可以提高效率。
2.1 自旋锁特点
自旋锁的特点与其命名匹配，线程获取不到锁时就是一直处于忙等待（原地打转？）状态，占用cpu的同时又不能处理任何任务。根据自旋锁的特点，自旋锁适用于占用锁时间极短的场景，长时间占用自旋锁会降低系统性能。如果访问资源比较耗时，需长时间持有锁的场景，则需考虑其他互斥机制。
- 用于线程互斥
- 阻塞一直占用cpu资源
- 不可引起线程睡眠
- 轻量级的锁
- 资源开销小，包括创建、持有、释放过程
2.2 自旋锁适用场景
自旋锁一开始是为防止多核处理器（SMP）并发带来竞态而引入的一种互斥机制。 自旋锁在用户态使用得比较少，在内核态下，常见的驱动开发会经常用到自旋锁。内核态下的自旋锁使用可以参考文章并发与竞态（如何选择合适的保护机制）。自旋锁适用于短期内进行轻量级的锁定。
- 互斥资源访问时间极短（加锁时间短），小于2次上下文切换的时间
- 特殊场景，不希望挂起线程
2.3 自旋锁使用原则
自旋锁与互斥锁一样，自旋锁使用原则可以参考互斥锁的使用原则，互斥锁的使用原则也是自旋锁的基本使用原则。
- 加锁时间极短，并及时释放锁
- 禁止嵌套（递归）申请持有自旋锁，否则导致死锁
- 避免过多的自旋锁申请，防止cpu资源浪费
注：
申请持有自旋锁时会一直占用cpu，如果嵌套或者递归申请自旋锁，在第二层申请锁时，由于锁被第一层持有，第二层获取不到锁一直处于等待状态并占用cpu，程序也无法跳出到最外层释放锁，导致死锁发生。因此，递归程序中使用自旋锁需谨慎
3 自旋锁使用
自旋锁使用的基本步骤为：
【1】创建自旋锁实例
【2】初始化自旋锁
【3】持有自旋锁
【4】释放自旋锁
【5】销毁自旋锁实例
3.1 创建自旋锁
posix线程自旋锁以pthread_spinlock_t数据结构表示。自旋锁实例可以用静态和动态创建。
pthread_spinlock_t spinlock；
3.2 初始化自旋锁
自旋锁初始化只支持使用pthread_rwlock_init函数进行动态初始化 。
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *spinlock, int pshared);
-
spinlock，自旋锁实例地址，不能为NULL -
pshared，自旋锁作用域PTHREAD_PROCESS_PRIVATE，进程内（创建者）作用域，只能用于进程内线程互斥PTHREAD_PROCESS_SHARED，跨进程作用域，用于系统所有线程间互斥 -
返回，成功返回0，参数无效返回 EINVAL
3.3 自旋锁上锁（申请锁）
自旋锁申请持有分为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，自旋锁实例地址，不能为NULL -
返回，成功返回0，参数无效返回 EINVAL
如果自旋锁还没有被其他线程持有（上锁），则申请持有自旋锁的线程获得锁。如果自旋锁被其他线程持有，则线程一直处于等待状态（占用cpu），直到持自旋锁的线程解锁后，线程获得锁继续执行。不允许递归嵌套申请自旋锁，否则导致死锁。
3.3.2 非阻塞方式
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t spinlock*);
spinlock，自旋锁实例地址，不能为NULL- 返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 成功 |
| EINVAL | 参数无效 |
| EDEADLK | 死锁 |
| EBUSY | 锁被其他线程持有 |
调用该函数会立即返回，不会阻塞等待。实际应用可以根据返回状态执行不同的任务操作。
3.4 自旋锁释放
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *spinlock);
spinlock，自旋锁实例地址，不能为NULL- 返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 成功 |
| EINVAL | 参数无效 |
| EDEADLK | 死锁 |
| EBUSY | 锁被其他线程持有 |
自旋锁持有后必须及时释放，不允许多次释放锁。
3.5 自旋锁销毁
int pthread_spinlock_destroy(pthread_spinlock_t *spinlock);
spinlock，自旋锁实例地址，不能为NULL- 返回
| 返回值 | 描述 |
|---|---|
| 0 | 成功 |
| EINVAL | spinlock已被销毁过，或者spinlock为空 |
| EBUSY | 自旋锁被其他线程使用 |
pthread_spinlock_destroy用于销毁一个已经使用动态初始化的自旋锁。销毁后的自旋锁处于未初始化状态，自旋锁的属性和控制块参数处于不可用状态。使用销毁函数需要注意几点：
- 已销毁的自旋锁，可以使用
pthread_spinlock_init重新初始化使用 - 不能重复销毁已销毁的自旋锁
- 没有线程持有自旋锁时，才能销毁
3.6 写个例子
代码实现功能：
- 创建两个线程
- 两个线程分别对全局变量访问，并输出到终端
- 期望结果，线程1输出结果“ 1 2 3 4 5”，线程2输出结果“5 4 3 2 1”
#include <stdio.h>
#include <stdint.h>
#include <unistd.h>
#include "pthread.h"
#define USE_SPINLOCK 1 /* 是否使用自旋锁，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); /* 让线程0先执行 */
#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);/* 进程内作用域 */
#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;
}
不加自旋锁的结果
由于不使用锁，线程间并发执行，"同时"访问全局变量g_count及printf输出，实际结果没有符合预期。
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
使用自旋锁的结果
线程0持有锁之后，访问执行完后才释放锁，线程2申请到锁，输出结果正确。
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
代码中，对printf函数加锁，实际使用是不允许的，违反了加锁的原则，这里只是模拟场景测试。
4 自旋锁属性
自旋锁是一种轻量级的锁，属性只有一个“作用域”，在调用pthread_spin_init函数初始化自旋锁时指定作用域范围。自旋锁作用域表示自旋锁的互斥作用范围，分为进程内（创建者）作用域PTHREAD_PROCESS_PRIVATE和跨进程作用域PTHREAD_PROCESS_SHARED。进程内作用域只能用于进程内线程互斥，跨进程可以用于系统所有线程间互斥。
5 总结
自旋锁实现的功能与互斥锁一样，都是用于线程间互斥访问。自旋锁是一种不会引起线程睡眠的轻量级锁，适用于加锁时间极短的场景，由于其资源开销比互斥锁低，在极短的加锁场景使用自旋锁效率会更高。自旋锁的使用注意事项，结合互斥锁文章2.3节的"互斥锁使用原则"，参考2.3节的“自旋锁使用原则”。至此，互斥锁、读写锁、自旋锁描述完成，三者的特点差异，罗列出下表比较。
互斥锁、读写锁、自旋锁对比
| 主要特点 | 引起线程睡眠 | 适用范围 | 资源开销 | |
|---|---|---|---|---|
| 互斥锁 | 互斥 | 是 | 一般互斥访问 | 普通 |
| 读写锁 | 读读共享 | 是 | 多读少写 | 普通 |
| 自旋锁 | 自旋等待 | 否 | 加锁时间极短 | 低开销 |