線程同步——自旋鎖

互斥量的工作原理

如果有多個線程同時通路臨界資源，互斥量保證臨界資源是被串行通路的。某個線程通路臨界資源，線程首先給臨界資源加鎖，加鎖好其他資源無法通路，其他線程隻能等目前線程解鎖後才能使用。

自旋鎖

作業系統提供的API:

pthread_spinlock_t

自旋鎖的工作原理與互斥量一摸一樣，也是在使用前加鎖，使用完解鎖保證串行通路。

自旋鎖也是一種多線程同步的變量，使用了自旋鎖的線程會反複的檢查鎖變量是否可用。如果不可用，就會一直循環的檢查。是以自旋鎖不會讓出CPU，是一種忙等待狀态。是死循環等待鎖被釋放。

自旋鎖的優缺點

1. 避免了程序或線程的上下文開銷，如果鎖占用時間不長，使用自旋鎖代價很小
2. 作業系統内部很多地方使用自旋鎖
3. 不适合在單核CPU使用，因為他等待時不會釋放CPU，而是死循環等待。

生産者消費者模型

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

pthread_spinlock_t spin_lock;

int num = 0;

void *producer(void *) {
    int times = 10000000;
    while (times--) {
        pthread_spin_lock(&spin_lock);
        num += 1;
        pthread_spin_unlock(&spin_lock);
    }
}

void *comsumer(void *) {
    int times = 10000000;
    while (times--) {
        pthread_spin_lock(&spin_lock);
        num -= 1;
        pthread_spin_unlock(&spin_lock);
    }
}


int main() {

    pthread_spin_init(&spin_lock, 0);
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_create(&thread1, NULL, &producer, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, &comsumer, NULL);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    printf("臨界資源：%d",num)
    return 0;
}

           

不會讓出cpu的demo，讓消費者sleep10秒，生産者的自旋鎖将會循環等待，檢視此時的程序CPU是否為100%。

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

pthread_spinlock_t spin_lock;

int num = 0;

void *producer(void *) {
    int times = 10000000;
    while (times--) {
        pthread_spin_lock(&spin_lock);
        num += 1;
        pthread_spin_unlock(&spin_lock);
    }
}

void *comsumer(void *) {
    int times = 10000000;
    while (times--) {
        pthread_spin_lock(&spin_lock);
        num -= 1;
        sleep(10);
        pthread_spin_unlock(&spin_lock);
    }
}


int main() {

    pthread_spin_init(&spin_lock, 0);
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_create(&thread1, NULL, &producer, NULL);
    pthread_create(&thread2, NULL, &comsumer, NULL);
    pthread_join(thread1, NULL);
    pthread_join(thread2, NULL);
    printf("臨界資源： %d\n", num);
    return 0;
}

           

備注：

代碼中使用的是POSIX标準提供的程式設計接口，mac是沒有的，是以在Mac下測試自旋鎖是會出現報錯的。

下圖是Linux下已程序形式測試自旋鎖cpp，可以看到spin_lock所使用的程序接近百分之百，說明自旋鎖在運作的時候并不會讓出CPU。

圖檔來源慕課網：《變成必備基礎》