用<atomic>实现自旋锁的C++11实现

Question

我实现了SpinLock类，如下所示

struct Node {
    int number;
    std::atomic_bool latch;

    void add() {
        lock();
        number++;
        unlock();
    }
    void lock() {
        bool unlatched = false;
        while(!latch.compare_exchange_weak(unlatched, true, std::memory_order_acquire));
    }
    void unlock() {
        latch.store(false , std::memory_order_release);
    }
};

我实现了上面的类，并创建了两个线程，每个线程调用Node类的同一实例的add()方法1000万次。

不幸的是，结果不是2000万。这里我漏掉了什么？

Answer 1

问题是一旦失败，compare_exchange_weak就会更新unlatched变量。来自compare_exchange_weak的文档

将原子对象包含的值的内容与期望的值进行比较：-如果为真，它将包含的值替换为val (如store)。-如果为false，则将expected替换为包含的值。

也就是说，在第一次失败的compare_exchange_weak之后，unlatched将更新为true，因此下一次循环迭代将尝试使用true compare_exchange_weak true。这成功了，并且您刚刚获得了一个由另一个线程持有的锁。

解决方案:确保在每个compare_exchange_weak之前将unlatched设置回false，例如：

while(!latch.compare_exchange_weak(unlatched, true, std::memory_order_acquire)) {
    unlatched = false;
}

Answer 2

正如@gexicide所提到的，问题在于compare_exchange函数使用原子变量的当前值更新expected变量。这也是为什么必须首先使用局部变量unlatched的原因。要解决这个问题，可以在每次循环迭代中将unlatched设置回false。

但是，使用std::atomic_flag要简单得多，而不是使用compare_exchange来处理它的接口不太适合的事情：

class SpinLock {
    std::atomic_flag locked = ATOMIC_FLAG_INIT ;
public:
    void lock() {
        while (locked.test_and_set(std::memory_order_acquire)) { ; }
    }
    void unlock() {
        locked.clear(std::memory_order_release);
    }
};

来源：cppreference

手动指定内存顺序只是一个次要的潜在性能调整，这是我从源代码复制的。如果简单性比最后一点性能更重要，那么您可以坚持使用默认值，只需调用locked.test_and_set() / locked.clear()。

顺便说一句：std::atomic_flag是唯一可以保证是无锁的类型，尽管我不知道有任何平台，在std::atomic_bool上的操作不是无锁的。

更新：正如@David Schwartz，@Anton和@Technik Empire在评论中所解释的那样，空循环有一些不受欢迎的影响，比如分支错误，HT处理器上的线程饥饿和过高的功耗-所以简而言之，这是一种非常低效的等待方式。影响和解决方案取决于体系结构、平台和应用程序。我不是专家，但通常的解决方案似乎是将linux上的cpu_relax()或windows上的YieldProcessor()添加到循环体中。

EDIT2:只是想说清楚:这里介绍的可移植版本(没有特殊的cpu_relax等指令)应该已经足够好用于许多应用程序了。如果您的SpinLock因为其他人长时间持有锁而频繁旋转(这可能已经表明存在一般的设计问题)，那么使用普通的互斥锁可能会更好。