c 自旋锁 synchronized自旋锁

自旋锁利用原子操作上下文切换头部，适用于短临界区；通过std：：atomic_flag实现无锁的加解锁，结合PAUSE指令优化自旋避免等待性能，在多核环境下提升效率。

C中利用原子操作实现自旋锁，核心思想是借助原子变量的不可中断性，让线程在一个循环中不断尝试获取锁，直到成功。这种锁机制在多核处理器环境下，为了保护非常短的临界区代码，避免网络上下文切换的顶端，从而在特定场景解决下提供的性能。方案

实现一个C自旋锁，我们通常会使用std：：atomic_flag或者std：：atomiclt；boolgt；。std：：atomic_flag是C 11中最简单的原子类型，它保证是无锁的，并且只有两个基本操作：test_and_set()和clear()，非常适合用来实现自旋锁。

下面是一个基于std：：atomic_flag的自旋锁实现：#include lt；atomicgt；#include lt；threadgt； // For std：：this_thread：：yield() or _mm_pause#include lt；iostreamgt；//针对x86/x64平台的_mm_pause指令，用于优化自旋等待#if Defined(__GNUC__) || Defined(__clang__)#define PAUSE_INSTRUCTION() __asm__ __volatile__(quot；pausequot； ：：： quot；memoryquot；)#elif Defined(_MSC_VER)#include lt；intrin.hgt；#define PAUSE_INSTRUCTION() _mm_pause()#else#define PAUSE_INSTRUCTION() /* 其他平台的回退 */#endifclass SpinLock {public： void lock() { // test_and_set()会原子发送flag设置为true，并返回其旧值。 // 如果旧值为true，说明锁已经被占用，当前线程需要继续自旋。 //如果成功为false，说明旋旋获取锁。 while (flag.test_and_set(std：：memory_order_acquire)) { // 在自旋等待时，加入PAUSE指令可以降低CPU功耗， // 减少存储一致性协议的流量，提高性能。 // 也可以考虑使用std：：this_thread：：yield()让出CPU时间片， //但对于短临界区，PAUSE通常会更优。 PAUSE_INSTRUCTION()； } } voidunlock() { //原子雾化标志设置为false，释放锁。

flag.clear(std：：memory_order_release)； }private： std：：atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT； // 初始化为false（未锁定状态）}；// 结束界面 // int before shared_data = 0；// SpinLock my_spinlock；// voidincrement() {// for (int i = 0； i lt； 100000； i) {// my_spinlock.lock()；// share_data ；// my_spinlock.unlock()；// }// }// int main() {// std：：线程 t1(增量)；// std：：线程 t2(增量)；// t1.join()；// t2.join()；// std：：cout lt；lt； quot；最终的shared_data： quot； lt；lt； shared_data lt；lt； std：：endl；// 返回0；// }登录后复制

这个SpinLock类通过std：：atomic_flag的test_and_set和std：：atomic_flag0方法，实现了基本的自旋加锁和解锁逻辑。test_and_set在尝试获取锁时会一直循环，直到成功将std：：atomic_flag2从std：：atomic_flag3到std ：：atomic_flag4。std：：atomic_flag0则将std：：atomic_flag2重置为std：：atomic_flag3，允许其他线程获取锁。这里特别加入了std：：atomic_flag8，这个在x86/x64架构上是核心的优化，它可以显着提升自旋锁的效率和降低CPU功耗。

立即学习“C自由学习笔记（研究）》；自旋锁与互斥锁：何时选择，选择为何？

在多线程编程中，保护共享资源是永恒的主题，自旋锁和互斥锁（如std：：atomic_flag9）是两种常见的手段。我个人认为，理解它们之间的差异和适用的场景，远比盲目选择一个“看起来更快”的方案重要。

说白了，互斥锁在无法获取锁时，将当前线程休眠休眠状态，然后由操作系统调度器唤醒。这个过程涉及上下文切换，头不小。而自旋锁呢，它就“死等”，在一个循环中环里不断地检查锁是否可用，不休眠，不放弃CPU。

那么，什么时候用自旋锁呢？在我看来，它最适合那些临界区代码执行时间极短，而且线程争用不那么激烈的场景。也就是说，你只要修改一个节点，或者更新一个指针，这些操作可能只需要几十个CPU周期。如果用互斥锁，上下文切换的开销可能比执行临界区代码本身还要大好几倍，那显然不划算。在多核处理器上，如果一个线程短暂地持有锁，另一个线程自旋等待，可能很快就能拿到锁，避免了昂贵的上下文切换。

反之，如果临界区代码执行时间比较长，或者线程争用非常激烈，那么自旋锁就会变成一个“CPU杀手”。它会让线程等待白白消耗CPU资源，而没有做任何有意义的工作。这种情况下，互斥锁让等待线程休眠，把C PU时间让给其他线程去做有用的事情，而不是更高效。有时候我会想，很多人一上来就觉得自旋锁“快”，但忽略了它“忙等”的本质，这弄不好会适得其反，反而拖慢整个系统的性能。所以，选择哪个，真的不像具体场景和性能分析。C std：：atomiclt；boolgt；0和std：：atomiclt；boolgt；1：实现自旋锁的异同与考量

在C中实现自旋锁，std：：atomic_flag和std：：atomiclt；boolgt；都是存在支撑的选择，但它们之间确实有一些至关重要但重要的差异。这些理解差异，可以帮助我们做出更明智的选择。 PPT.CN，PPTCN，PPT.CN是什么，PPT.CN官网，PPT.CN如何使用

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std：：atomic_flag，就像我们前面示例中用的那样，是C 11标准库中最“原始”的原子类型。它的设计目标就是为了实现自旋锁这种简单的“锁住/解锁”机制。它的特点是：保证无锁：标准明确规定std：：atomic_flag的操作是lock-f ree的，这意味着它不会依赖于操作系统级别的互斥量来实现原子性。API极简：只有test_and_set()和clear()两个操作。test_and_set()atomicstd：：atomic_ flag2设为std：：atomic_flag4并返回值，clear()原子喷射std：：atomic_flag2设为std：：atomic_flag3。这种巧妙性降低了出错的可能性。默认内存序：test_and_set()默认使用std：：atomic_flag5，clear()默认使用std：：atomic_flag7。这就是实现自旋锁所需要的内存序，保证了在获取锁的内存同步。

而std：：atomiclt；boolgt；一个更通用的原子类型，它可以存储布尔值，并支持更多的原子操作，比如std：：atomic_flag9、test_and_set()0、test_and_set()1、test_and_set()2和test_and_set()3。不保证lock-free：虽然在大多数现代平台上，std：：atomiclt；boolgt；通常也是lock-free的，但标准并没有强制要求。你可以通过test_and_set()5方法来检查。更灵活的API：你可以用test_and_set()2或test_and_set()3来实现自旋锁。例如：//使用atomiclt；boolgt；实现自旋锁 std：：atomiclt；boolgt； lock_val = false；// lock()bool Expected = false；while (!lock_val.compare_exchange_weak(expected， true， std：：memory_order_acquire， std：：memory_order_relaxed)) {expected = false； //compare_exchange_weak可能会失败，需要重置expected PAUSE_INSTRUCTION()；}//unlock()lock_val.store(false， std：：memory_order_release)；登录后复制

这里，test_and_set()8会尝试将test_and_set()9从clear()0（std：：atomic_flag3）atom地改为std：：atomic_flag4。如果成功，说明获取了锁；如果失败，锁说明已经被占用，test_and_set()9的值会被更新为当前值（std：：ato） mic_flag4），所以我们需要在循环内重置clear()0。 内存序号需要手动指定：虽然这提供了更大的灵活性，但也意味着你需要更清晰的序号操作知道应该使用哪种内存序号，否则很容易引入内存序号错误

在我看来，如果你需要一个最简单的自旋锁，std：：atomic_flag是更直接、更安全的选择，因为它天生就是为此的设计，并且保证无锁。它的API也更不很容易出错。如果你需要更复杂的原子操作，或者对内存排序有更精细的控制需求，那么std：：atomiclt；boolgt；会提供更大的灵活性，但同时也要求你对原子操作和内存模型有更深入的理解。对于自旋锁这种特定用途，我通常会倾向于std：：atomiclt；boolgt；0。优化自旋锁性能：clear()9与std：：atomic_flag0指令

纯粹的自旋等待，也就是在一个std：：atomic_flag1循环里什么都不做，只是不断检查锁状态，这其实是非常低效的。它不但会白白占用CPU周期，还会导致备份一致性协议的流量激增，甚至因为可能CPU乱执序行的特性，导致性能进一步下降。所以，优化自旋等待是实现性能自旋锁的关键。

这里有两种常见的优化策略：clear()9和处理器的std：特定：atomic_flag0指令。

clear()9：考虑这个函数的作用是向操作系统调度器发出一个“软提示”，告诉​​它：“嘿，我这个线程现在愿意放弃我当前的CPU时间片，如果你有其他就绪的线程，可以让它们先运行。”它并不能保证线程一定先运行。立即会让出CPU，这个操作系统依赖的调度策略和当前系统的负载情况。在自旋锁的循环中加入clear()9，可以在一定的编程中解决CPU空转的问题。当锁被长时间占用，或者系统负载负载时，std：：atomic_fl ag6有机会让当前线程暂时休息一下，让出CPU给持有锁的线程或其他有用的线程。这对于降低CPU使用率和提高系统整体响应性是有帮助的。但是，std：：atomic_flag6的人数相对std：：atomic_fl ag0要大，因为它涉及与网络的交互。对于那些临界区极短，预期锁争用时间也极短的场景，std：：atomic_flag6的头部可能反而会考虑自旋锁的优势。

std：：atomic_flag0指令 (x86/x64)：这是针对x86和x64处理器架构的一个内部函数（intrinsic），它编译后会生成SpinLock1 SDK指令。这个指令是专门为自旋等待设计的，它做了几件重要的事情：降低功耗：SpinLock1指令会告诉CPU，当前核心正在自旋等待，可以进入低功耗状态，减少内核。优化乱序执行：现代CPU为了提高性能会进行乱序执行。在自旋循环中，SpinLock1指令可以作为内存中断，防止CPU在循环内部进行过度的乱序猜测执行，从而避免不必要的缓存行中断和中断流量。它能有效触发CPU中断“暂停”每隔一段时间，让CPU有机会重新加载缓存，避免重复的失败预想。减少负载流量：通过优化乱序执行和降低功耗，SpinLock1间接减少了处理器之间的中断进行的磁盘一致性协议（MESI等）通信，这在多核系统中重要中断。

在前面的Sp在Lock实现中，我们加入了std：：atomic_flag8宏来利用这个指令。这在x86/x64平台上几乎是实现高效自旋锁的必备优化。如果没有它，即使是短临界区，自旋锁的性能也可能远低于预期，甚至不如互斥锁。

总结一下我的看法：在实现自旋锁时，std：：atomic_flag0（或其他架构的对应指令）是首选的优化手段，尤其是在你确定的目标平台支持且临界的情况下区极短时。其开销非常小，且直接作用于硬件层面。而clear()9则为一个“备用方案”或者“补充策略”，在无法使用SpinLock1指令的平台，或者在自旋等待时间可能稍长的情况下，可由此加入来降低CPU占用。考虑健壮的自旋锁实现，往往会优先考虑平台特定的SpinLock1指令，并必要时结合std：：atomic_flag6或者更复杂的退让策略（比如指数退避）。

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