使用 <atomic> 实现自旋锁的 C++11

Question

我实现了 SpinLock 类，如下

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，每个线程调用同一 Node 类实例的 add() 方法 1000 万次。

不幸的是，结果不是 2000 万。 我在这里想念什么？

Answer 1

问题是compare_exchange_weak 一旦失败就会更新unlatched 变量。来自compare_exchange_weak的文档：

将原子对象的包含值的内容与 预期的： - 如果为真，则将包含的值替换为 val（如 store）。 - 如果为 false，则将预期替换为包含的值。

即，在第一次失败 compare_exchange_weak 之后，unlatched 将更新为 true，因此下一次循环迭代将尝试 compare_exchange_weak true 和 true。这成功了，您刚刚获得了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。这也是为什么你必须首先使用局部变量unlatched 的原因。要解决此问题，您可以在每次循环迭代中将 unlatched 设置回 false。

但是，与其将compare_exchange 用于其界面不太适合的东西，不如使用std::atomic_flag 来代替：

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小的潜在性能调整，我从源代码中复制了它。如果简单性比最后一点性能更重要，您可以坚持使用默认值并调用locked.test_and_set() / locked.clear()。

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

更新：正如@David Schwartz、@Anton 和@Technik Empire 在 cmets 中所解释的，空循环具有一些不良影响，例如分支预测错误、HT 处理器上的线程不足和过高的功耗- 简而言之，这是一种非常低效的等待方式。影响和解决方案是特定于架构、平台和应用程序的。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： 明确一点：这里介绍的便携式版本（没有特殊的 cpu_relax 等说明）对于许多应用程序来说已经足够好了。如果您的SpinLock 旋转很多，因为其他人长时间持有锁（这可能已经表明一般的设计问题），那么最好还是使用普通的互斥锁。