C++怎么实现一个自旋锁_C++并发编程与自旋锁实现

自旋锁通过原子操作实现，适用于短临界区：使用std::atomic_flag或std::atomic结合CAS循环获取锁，避免上下文切换开销，但需注意CPU占用与内存序选择。

自旋锁是一种用于多线程同步的轻量级锁机制，适用于临界区执行时间非常短的场景。与互斥锁不同，自旋锁在获取不到锁时不会让出CPU，而是持续检查（“自旋”），直到锁被释放。C++中可以通过原子操作实现高效的自旋锁。

自旋锁的基本原理

自旋锁的核心是一个共享的标志位，表示锁是否被占用。线程尝试通过原子操作设置这个标志位来获得锁。如果失败，就不断重试，直到成功为止。

关键点：

• 使用std::atomic_flag或std::atomic作为锁状态
• 利用CAS（Compare-And-Swap）操作保证原子性
• 避免长时间占用CPU，不适合长临界区

基于std::atomic_flag的简单实现

std::atomic_flag是C++中最简单的原子类型，天生适合做自旋锁，且保证无锁（lock-free）。

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示例代码：

#include 

class spinlock {
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;

public:
    void lock() {
        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
            // 自旋等待
        }
    }

    void unlock() {
        flag.clear(std::memory_order_release);
    }
};

说明：

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• test_and_set() 原子地检查并设置标志位，返回旧值
• clear() 释放锁
• 内存序acquire和release确保操作的顺序一致性

基于std::atomic的实现（更灵活）

使用std::atomic可以提供更清晰的语义控制。

#include 

class spinlock {
    std::atomic state{false};  // false: 空闲, true: 占用

public:
    void lock() {
        bool expected = false;
        while (!state.compare_exchange_weak(expected, true,
                    std::memory_order_acquire,
                    std::memory_order_relaxed)) {
            expected = false;  // 重试前重置
        }
    }

    void unlock() {
        state.store(false, std::memory_order_release);
    }
};

优点：

• 语义清晰，易于理解和调试
• 支持更多状态判断逻辑
• compare_exchange_weak允许偶然失败，适合循环中使用

使用建议与注意事项

自旋锁虽然高效，但使用时需谨慎：

• 只用于极短的临界区操作，避免浪费CPU资源
• 在单核系统上不推荐使用，因为自旋线程无法让出CPU给持有锁的线程
• 可结合std::this_thread::yield()减少CPU占用
• 不要在中断处理或实时性要求极高的场景滥用

改进版加入yield提示：

void lock() {
    bool expected = false;
    while (!state.compare_exchange_weak(expected, true,
                std::memory_order_acquire,
                std::memory_order_relaxed)) {
        expected = false;
        std::this_thread::yield();  // 提示调度器让出时间片
    }
}

基本上就这些。C++中的自旋锁依赖原子操作实现，核心是避免阻塞带来的上下文切换开销。合理使用能提升高并发下短临界区的性能，但要注意适用场景，避免CPU空转。不复杂但容易忽略细节，比如内存序的选择和yield的使用。