自旋锁分析

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背景

了解下自旋锁的知识点

自旋锁

我的印象中主要是为了防止资源竞争时，避免线程切换上下文浪费时间片，而使用的一种锁，它的目的就是保证短时间内能够竞争到资源，避免时间片浪费而提升性能。

但我一直有个疑问，不释放时间片，难道一直死循环吗？这也太不优雅了吧？

看了下ngx的源码

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void
ngx_spinlock(ngx_atomic_t *lock, ngx_atomic_int_t value, ngx_uint_t spin)
{

#if (NGX_HAVE_ATOMIC_OPS)

    ngx_uint_t  i, n;

    for ( ;; ) {

        if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
            return;
        }

        if (ngx_ncpu > 1) {

            for (n = 1; n < spin; n <<= 1) {

                for (i = 0; i < n; i++) {
                    ngx_cpu_pause();
                }

                if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
                    return;
                }
            }
        }

        ngx_sched_yield();
    }

#else

#if (NGX_THREADS)

#error ngx_spinlock() or ngx_atomic_cmp_set() are not defined !

#endif

#endif

}

其中涉及到原子操作、cpu_pause、和sched_yield 方法。

原子操作

主要是指cas的原子操作 CAS操作——Compare & Set，或是 Compare & Swap，现在几乎所有的CPU指令都支持CAS的原子操作。 没有这个原子指令，很多功能都完成不了。

  • GCC的CAS
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GCC4.1+版本中支持CAS的原子操作（完整的原子操作可参看 GCC Atomic Builtins）

bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
  • Windows的CAS
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在Windows下，你可以使用下面的Windows API来完成CAS：（完整的Windows原子操作可参看MSDN的InterLocked Functions）

InterlockedCompareExchange ( __inout LONG volatile *Target,
                __in LONG Exchange,
                __in LONG Comperand);
  • C++11中的CAS
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C++11中的STL中的atomic类的函数可以让你跨平台。（完整的C++11的原子操作可参看 Atomic Operation Library）

template< class T >
bool atomic_compare_exchange_weak( std::atomic* obj,
                  T* expected, T desired );
template< class T >
bool atomic_compare_exchange_weak( volatile std::atomic* obj,
                  T* expected, T desired );

cpu_pause

具体说明看链接

主要是两个功能

  • 在循环过程中，避免内存顺序违规导致性能下降

  • 循环等待时，降低cpu功耗

    boost 跨平台实现

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BOOST_FORCEINLINE void pause() BOOST_NOEXCEPT
{
#if defined(_MSC_VER) && (defined(_M_AMD64) || defined(_M_IX86))
    _mm_pause();// #include <emmintrin.h>
#elif defined(__GNUC__) && (defined(__i386__) || defined(__x86_64__))
    __asm__ __volatile__("pause;");
#endif
}

sched_yield

暂时的让出时间片 ，一般都是 usleep/Sleep(0) 或 usleep/Sleep(1) 或 cpu_pause 。

我们自己需要实现自旋锁吗

不需要。2009年linux内核已经把 mutex修改成了自适应锁：

  • 一阶段使用自旋锁，在忙等待一段时间后，若还不能获得锁，则转变成普通锁

  • 二阶段普通锁：阻塞线程

使用c++11 std::mutex 也有相同的性能。 实际测试中， std::mutex 比windows的 CRITICAL_SECTION 还是有10%左右的性能提升。