线程同步之详解自旋锁

自旋锁+信号量+互斥量+临界区+死锁简介

深入理解自旋锁

自旋锁(spinlock):是指当一个线程在获取锁的时候,如果锁已经被其它线程获取,那么该线程将循环等待,然后不断的判断锁是否能够被成功获取,直到获取到锁才会退出循环。

获取锁的线程一直处于活跃状态,但是并没有执行任何有效的任务,使用这种锁会造成busy-waiting。

它是为实现保护共享资源而提出一种锁机制。其实,自旋锁与互斥锁比较类似,它们都是为了解决对某项资源的互斥使用。无论是互斥锁,还是自旋锁,在任何时刻,最多只能有一个保持者,也就说,在任何时刻最多只能有一个执行单元获得锁。但是两者在调度机制上略有不同。对于互斥锁,如果资源已经被占用,资源申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起调用者睡眠,如果自旋锁已经被别的执行单元保持,调用者就一直循环在那里看是否该自旋锁的保持者已经释放了锁,”自旋”一词就是因此而得名。


自旋锁(Spinlock)是一种广泛运用的底层同步机制。自旋锁是一个互斥设备,它只有两个值:“锁定”和“解锁”。它通常实现为某个整数值中的某个位。希望获得某个特定锁得代码测试相关的位。如果锁可用,则“锁定”被设置,而代码继续进入临界区;相反,如果锁被其他人获得,则代码进入忙循环(而不是休眠,这也是自旋锁和一般锁的区别)并重复检查这个锁,直到该锁可用为止,这就是自旋的过程。“测试并设置位”的操作必须是原子的,这样,即使多个线程在给定时间自旋,也只有一个线程可获得该锁。

自旋锁对于SMP和单处理器可抢占内核都适用。可以想象,当一个处理器处于自旋状态时,它做不了任何有用的工作,因此自旋锁对于单处理器不可抢占内核没有意义,实际上,非抢占式的单处理器系统上自旋锁被实现为空操作,不做任何事情。

曾经有个经典的例子来比喻自旋锁:A,B两个人合租一套房子,共用一个厕所,那么这个厕所就是共享资源,且在任一时刻最多只能有一个人在使用。当厕所闲置时,谁来了都可以使用,当A使用时,就会关上厕所门,而B也要使用,但是急啊,就得在门外焦急地等待,急得团团转,是为“自旋”,这也是要求锁的持有时间尽量短的原因!


自旋锁的优点

自旋锁不会使线程状态发生切换,一直处于用户态,即线程一直都是active的;不会使线程进入阻塞状态,减少了不必要的上下文切换,执行速度快
非自旋锁在获取不到锁的时候会进入阻塞状态,从而进入内核态,当获取到锁的时候需要从内核态恢复,需要线程上下文切换。 (线程被阻塞后便进入内核(Linux)调度状态,这个会导致系统在用户态与内核态之间来回切换,严重影响锁的性能)


自旋锁与互斥锁

自旋锁与互斥锁都是为了实现保护资源共享的机制。
无论是自旋锁还是互斥锁,在任意时刻,都最多只能有一个保持者。
获取互斥锁的线程,如果锁已经被占用,则该线程将进入睡眠状态;获取自旋锁的线程则不会睡眠,而是一直循环等待锁释放。

总结:

自旋锁:线程获取锁的时候,如果锁被其他线程持有,则当前线程将循环等待,直到获取到锁。
自旋锁等待期间,线程的状态不会改变,线程一直是用户态并且是活动的(active)。
自旋锁如果持有锁的时间太长,则会导致其它等待获取锁的线程耗尽CPU。
自旋锁本身无法保证公平性,同时也无法保证可重入性。
基于自旋锁,可以实现具备公平性和可重入性质的锁。
TicketLock:采用类似银行排号叫好的方式实现自旋锁的公平性,但是由于不停的读取serviceNum,每次读写操作都必须在多个处理器缓存之间进行缓存同步,这会导致繁重的系统总线和内存的流量,大大降低系统整体的性能。
CLHLock和MCSLock通过链表的方式避免了减少了处理器缓存同步,极大的提高了性能,区别在于CLHLock是通过轮询其前驱节点的状态,而MCS则是查看当前节点的锁状态。
CLHLock在NUMA架构下使用会存在问题。在没有cache的NUMA系统架构中,由于CLHLock是在当前节点的前一个节点上自旋,NUMA架构中处理器访问本地内存的速度高于通过网络访问其他节点的内存,所以CLHLock在NUMA架构上不是最优的自旋锁。