自旋锁与睡眠锁

复习

• 程序竞争：多条执行线同时读写共享数据，可能互相干扰
• 临界区与原子操作：哪些代码必须表现得像不可分割的一步
• 互斥锁：让同一时刻只有一个执行线进入临界区

TL;DR

• 拿不到锁时，有两种等法：原地重试（自旋） 或 睡下等待（睡眠）
• 自旋锁：一直占着 CPU 重试，适合临界区很短的情况
• 睡眠锁：让出 CPU、等别人唤醒，适合等待较久的情况
• 选哪种，取决于预计要等多久

正文

　　锁的接口看似简单：拿不到就等。可“怎么等”，却大有讲究。同样是在门口等锁，有两种截然不同的姿态。

自旋：原地打转

　　自旋锁（spinlock）的做法是：

while (拿不到锁) {
    // 什么都不做，继续试
}

　　它一直占着 CPU，反复检查锁有没有被放开。好处是：

• 不涉及上下文切换，反应极快
• 一旦锁释放，几乎是立刻就抢到

　　代价也很明显：等待期间它一直在空转烧 CPU。如果临界区很短，等一小会儿就轮到自己，这很划算；可如果需要等很久，那就是白白浪费。

睡眠：让出 CPU

　　睡眠锁（sleeping lock）则温和得多：拿不到锁时，直接把自己标记为阻塞，交给内核，让出 CPU 去干别的；等锁被释放时，再由内核把它唤醒。

　　这样一来，等待期间 CPU 可以去跑别的线程，不浪费。但代价是：睡眠和唤醒都要做上下文切换，开销比自旋大。

怎么选

　　两种等法，正好对应两种场景：

　　一句话：预计很快能拿到，就自旋；预计要等很久，就睡眠。

　　还有一个细节：在单核机器上，如果拿着锁的线程根本没法运行（比如它被挂起了），那么自旋的线程永远也等不到锁释放，只会一直空转；这时睡眠锁才靠谱。所以自旋锁多用在多核、且临界区极短的内核场景里。

思考题

　　如果一个线程要等锁接近一秒钟，用自旋锁会发生什么？这一秒钟里，CPU 在做什么“有用的事”吗？

小结

知识点

• 自旋锁：忙等，不切换，适合短临界区
• 睡眠锁：阻塞并让出 CPU，适合长等待
• 选择的依据是预计等待时间
• 单核且锁可能长时间不可用时应避免自旋

参考资料

1. Wikipedia(zh)：自旋锁：spinlock
2. Wikipedia(zh)：信号量：睡眠与唤醒

思考题答案（仅供参考）

　　用自旋锁等接近一秒，意味着这个线程会占着 CPU 原地空转近一秒，反复检查一个暂时不会变的状态。这一秒里它没有做任何有用的事，纯粹浪费了一个 CPU 核心——如果别的可运行线程还排着队，就更亏。这种情况明显应该用睡眠锁：把自己挂起，让出 CPU，等锁释放时再被唤醒。所以“自旋适合短等、睡眠适合长等”，本质上是在“切换开销”和“空转浪费”之间选成本更低的那个。

协议

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设计师 | 南国微雪