Linux线程同步（5）——互斥锁or自旋锁？

news2024/11/30 8:37:38

自旋锁概述

自旋锁与互斥锁很相似，从本质上说也是一把锁，在访问共享资源之前对自旋锁进行上锁，在访问完成后释放自旋锁（解锁）；事实上，从实现方式上来说，互斥锁是基于自旋锁来实现的，所以自旋锁相较于互斥锁更加底层。

如果在获取自旋锁时，自旋锁处于未锁定状态，那么将立即获得锁（对自旋锁上锁）；如果在获取自旋锁时，自旋锁已经处于锁定状态了，那么获取锁操作将会在原地“自旋”，直到该自旋锁的持有者释放了锁。由此介绍可知，自旋锁与互斥锁相似，但是互斥锁在无法获取到锁时会让线程陷入阻塞等待状态；而自旋锁在无法获取到锁时，将会在原地“自旋”等待。“自旋”其实就是调用者一直在循环查看该自旋锁的持有者是否已经释放了锁，“自旋”一词因此得名。

自旋锁的不足之处在于：自旋锁一直占用的 CPU，它在未获得锁的情况下，一直处于运行状态（自旋），所以占着 CPU，如果不能在很短的时间内获取锁，这无疑会使 CPU 效率降低。

试图对同一自旋锁加锁两次必然会导致死锁，而试图对同一互斥锁加锁两次不一定会导致死锁，原因在于互斥锁有不同的类型，当设置为 PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK 类型时，会进行错误检查，第二次加锁会返回错误，所以不会进入死锁状态。

因此我们要谨慎使用自旋锁，自旋锁通常用于以下情况：需要保护的代码段执行时间很短，这样就会使得持有锁的线程会很快释放锁，而“自旋”等待的线程也只需等待很短的时间；在这种情况下就比较适合使用自旋锁，效率高！综上所述，再来总结下自旋锁与互斥锁之间的区别：

实现方式上的区别：互斥锁是基于自旋锁而实现的，所以自旋锁相较于互斥锁更加底层；
开销上的区别：获取不到互斥锁会陷入阻塞状态（休眠），直到获取到锁时被唤醒；而获取不到自旋锁会在原地“自旋”，直到获取到锁；休眠与唤醒开销是很大的，所以互斥锁的开销要远高于自旋锁、自旋锁的效率远高于互斥锁；但如果长时间的“自旋”等待，会使得 CPU 使用效率降低，故自旋锁不适用于等待时间比较长的情况。
使用场景的区别：自旋锁在用户态应用程序中使用的比较少，通常在内核代码中使用比较多；因为自旋锁可以在中断服务函数中使用，而互斥锁则不行，在执行中断服务函数时要求不能休眠、不能被抢占（内核中使用自旋锁会自动禁止抢占），一旦休眠意味着执行中断服务函数时主动交出了 CPU使用权，休眠结束时无法返回到中断服务函数中，这样就会导致死锁！

自旋锁初始化

自旋锁使用 pthread_spinlock_t 数据类型表示，当定义自旋锁后，需要使用 pthread_spin_init ()函数对其进行初始化，当不再使用自旋锁时，调用 pthread_spin_destroy()函数将其销毁，其函数原型如下所示：

#include <pthread.h>

int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);

参数 lock 指向了需要进行初始化或销毁的自旋锁对象，参数 pshared 表示自旋锁的进程共享属性，可以取值如下：

PTHREAD_PROCESS_SHARED：共享自旋锁。该自旋锁可在多个进程中的线程之间共享；
PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：私有自旋锁。只有本进程内的线程才能够使用该自旋锁。

这两个函数在调用成功的情况下返回 0；失败将返回一个非 0 值的错误码。

自旋锁加锁和解锁

可以使用 pthread_spin_lock()函数或 pthread_spin_trylock()函数对自旋锁进行加锁，前者在未获取到锁时一直“自旋”；对于后者，如果未能获取到锁，就立刻返回错误，错误码为 EBUSY。不管以何种方式加锁，自旋锁都可以使用 pthread_spin_unlock()函数对自旋锁进行解锁。其函数原型如下所示：

#include <pthread.h>

int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);

参数 lock 指向自旋锁对象，调用成功返回 0，失败将返回一个非 0 值的错误码。

如果自旋锁处于未锁定状态，调用 pthread_spin_lock()会将其锁定（上锁），如果其它线程已将自旋锁锁住了，那本次调用将会“自旋”等待；如果试图对同一自旋锁加锁两次必会导致死锁。

使用示例

对《线程同步（2）——初识互斥锁》代码进行修改，使用自旋锁替换互斥锁来实现线程同步，对共享资源的访问进行保护。

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <string.h>

static pthread_spinlock_t spin;
static int g_count = 0;

static void *new_thread_start(void *arg){
    int loops = *((int *)arg);
    int l_count, j;
    for (j = 0; j < loops; j++) {
        pthread_spin_lock(&spin);//自旋锁上锁
        l_count = g_count;
        l_count++;
        g_count = l_count;
        pthread_spin_unlock(&spin);//自旋锁解锁
    }
    return (void *)0;
}
static int loops;
int main(int argc, char *argv[]){
    pthread_t tid1, tid2;
    int ret;
    /* 获取用户传递的参数 */
    if (2 > argc)
        loops = 10000000; //没有传递参数默认为 1000 万次
    else
        loops = atoi(argv[1]);
 
    /* 初始化自旋锁(私有) */
    pthread_spin_init(&spin,PTHREAD_PROCESS_PRIVATE);
    
    /* 创建 2 个新线程 */
    ret = pthread_create(&tid1, NULL, new_thread_start, &loops);
    if (ret) {
        fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    ret = pthread_create(&tid2, NULL, new_thread_start, &loops);
    if (ret) {
        fprintf(stderr, "pthread_create error: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    /* 等待线程结束 */
    ret = pthread_join(tid1, NULL);
    if (ret) {
        fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    ret = pthread_join(tid2, NULL);
    if (ret) {
        fprintf(stderr, "pthread_join error: %s\n", strerror(ret));
        exit(-1);
    }
    /* 打印结果 */
    printf("g_count = %d\n", g_count);

    /* 销毁自旋锁 */
    pthread_spin_destroy(&spin);
    exit(0);
}

运行结果：