使用原子 TAS 指令实现自旋锁
2025年11月28日 05:43
使用原子 TAS 指令实现自旋锁
使用原子 TAS 指令实现自旋锁 Implementing a Spinlock Using the Atomic TAS Instruction 从零实现自旋锁：基于 TAS 的最小同步原语 Building a Spinlock from Scratch with Atomic TAS 用 test-and-set 实现最简单的互斥锁 Implementing a Minimal Mutex Using Test-and-Set 自旋锁的底层原理：TAS、原子性与忙等待 Inside Spinlocks: TAS, Atomicity, and Busy Waiting 原子操作与自旋锁：用 C 语言实现线程同步 Atomic Operations and Spinlocks: Thread Synchronization in C 从原子指令到锁：全面理解 TAS 和自旋锁 From Atomic Instructions to Locks: A Complete Guide to TAS and Spinlocks 动手写一个自旋锁：tryLock / lockAcquire / lockRelease 全实现 Hands-On Spinlock Implementation: tryLock, lockAcquire, and lockRelease 你的第一个自旋锁：基于 C 语言的 TAS 实现 Your First Spinlock: A TAS-Based Implementation in C 原子交换与线程互斥：自旋锁实现指南 Atomic Exchange and Thread Mutual Exclusion: A Guide to Implementing Spinlocks假设我们有一个 TAS（Take-And-Set）函数。该操作返回内存中原来的值，并以原子方式将其替换为新值。原子性（atomicity）意味着没有其他线程能够观察到中间状态；整个读-写操作是一体不可分的。 在 C++ 中，标准库函数
std::exchange 在逻辑上表现相同，但它不是原子操作。同步原语需要硬件级别的原子性。
int TAS(int* memory, int newVal) {
int old = *memory;
*memory = newVal;
return old;
}
我们想使用这个原语来实现一个简单的自旋锁，包括：
lockAcquire()lockRelease()
typedef struct {
int lock;
} lockType;
typedef struct {
int val;
} threadArgType;
void threadFunc(void* arg) {
lockAcquire((static_cast<lockType*>arg)->lock);
(static_cast<threadArgType*>arg)->val++;
lockRelease((static_cast<lockType*>arg)->lock);
}
实现 tryLock
tryLock 函数尝试获取锁一次。如果锁为空（值为 0），TAS 将其设置为 1 并返回原值（0）。如果锁已被占用，TAS 返回 1。tryLock 函数是非阻塞的——它会立即返回。
因此 tryLock() 只有在 TAS 返回 0 时才会成功：
enum {
UNLOCKED = 0,
LOCKED = 1
}
int tryLock(lockType* lock) {
// 如果之前已锁定返回 1，如果之前未锁定返回 0
int old = TAS(lock->lock, LOCKED);
return (old == UNLOCKED); // true (1) = 成功获取锁
}
实现 lockAcquire()
普通的锁获取应当“自旋”直到 tryLock() 成功。这称为 自旋锁，因为 CPU 会忙等待。必要时可以加入短暂的 sleep。例如，sleep(0) 并不会真正暂停执行，而是让出 CPU，允许其他线程运行。
它通常用于实现跨线程的互斥自旋锁。
void lockAcquire(lockType* lock) {
while (!tryLock(lockType* lock)) {
// 自旋直到锁可用
}
}
另一种实现：
void lockAcquire(lockType* lock) {
do {
if (tryLock(lockType* lock)) {
break;
}
} while (1);
}
展开 tryLock：
void lockAcquire(lockType* lock) {
do {
int old = TAS(lock->lock, LOCKED);
// 无论锁是否已被获取，锁都已设置为 LOCKED
if (old == UNLOCKED) {
break;
}
} while (1);
}
这是使用 TAS 实现的最简单方法。在实际系统中，我们可能会加入 pause 指令或退避策略，但基本思路是相同的。
实现 lockRelease()
释放锁时，持有者只需将锁变量写为 0。由于 TAS 是“设置新值并返回旧值”，它同样适用于释放锁：
void lockRelease(lockType* lock) {
TAS(lock->lock, UNLOCKED);
}
或者使用简单的原子存储也足够，但由于 TAS 是我们唯一的工具，我们重用它。请注意，在这里重复释放锁是安全的，因为再次将其设置为 UNLOCKED=0 不会产生副作用。
总结
仅使用原子 TAS 指令，我们实现了：- 一个
tryLock()尝试 - 一个
lockAcquire()自旋锁 - 一个
lockRelease()解锁操作
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