C ++ 11使用<atomic>實現Spinlock

Question

我實現了SpinLock類，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);
    }
};

我實現了上面的類，並創建了兩個線程，每個線程調用一個相同的Node類實例的add（）方法1000萬次。

不幸的是，結果不是2000萬。 我在這里錯過了什么？

Answer 1

問題是compare_exchange_weak一旦失敗就會更新unlatched變量。 從compare_exchange_weak的文檔：

將原子對象包含的值的內容與預期值進行比較： - 如果為true，則用val替換包含的值（如store）。 - 如果為false，則將其替換為包含的值。

即第一失敗后compare_exchange_weak ， unlatched將更新為true ，那么下一個循環周期將嘗試compare_exchange_weak true與true 。 這成功了，你只是拿了一個由另一個線程持有的鎖。

解決方案：確保設置unlatched回false每個前compare_exchange_weak ，如：

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

Answer 2

正如@gexicide所提到的，問題是compare_exchange函數使用原子變量的當前值更新expected變量。 這也是為什么你必須首先使用未unlatched的局部變量的原因。 要解決此問題，您可以在每次循環迭代中將unlatched設置為false。

但是，使用std::atomic_flag來代替使用compare_exchange ，而不是使用compare_exchange ，它更適合使用std::atomic_flag ：

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);
    }
};

資料來源： cppreference

手動指定內存順序只是一個次要的潛在性能調整，我從源代碼復制。 如果簡單性比最后一點性能更重要，您可以堅持使用默認值並只調用locked.test_and_set() / locked.clear() 。

順便說一句： std::atomic_flag是唯一保證無鎖的類型，雖然我不知道任何平台， std::atomic_bool上的std::atomic_bool不是免費的。

更新：正如@David Schwartz，@ Anton和@Technik Empire的評論中所解釋的那樣，空循環有一些不良影響，如分支未預測，HT處理器上的線程飢餓和過高的功耗 - 所以簡而言之，這是一個非常低效的等待的方式。 影響和解決方案是架構，平台和應用程序特定的。 我不是專家，但通常的解決方案似乎是在linux上添加cpu_relax()或在循環體上添加窗口上的YieldProcessor() 。

EDIT2：為了清楚起見：這里提供的便攜版本（沒有特殊的cpu_relax等指令）應該足以滿足許多應用程序的要求。 如果你的SpinLock旋轉很多，因為其他人持有鎖很長時間（這可能已經表明一般的設計問題），最好還是使用普通的互斥鎖。