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一文帶你深入了解Golang中的自旋鎖

更新時間：2024年01月08日 10:20:17 作者：路多辛

自旋鎖是一種忙等待鎖,當一個線程嘗試獲取一個已經(jīng)被其它線程持有的鎖時,這個線程會持續(xù)循環(huán)檢查鎖的狀態(tài)（即“自旋”）?,直到鎖被釋放后獲得所有權(quán),下面我們就來深入了解下自旋鎖的具體操作吧

在并發(fā)編程中，互斥鎖（Mutex）是一種常用的同步機制，用于保護臨界資源，防止數(shù)據(jù)競爭。而在某些特定場景下，尤其是當鎖的持有時間很短且線程數(shù)量有限的情況下，一種更為輕量級的鎖——自旋鎖（Spin Lock）可以提供更高的性能。

什么是自旋鎖

自旋鎖是一種忙等待鎖，當一個線程嘗試獲取一個已經(jīng)被其它線程持有的鎖時，這個線程會持續(xù)循環(huán)檢查鎖的狀態(tài)（即“自旋”），直到鎖被釋放后獲得所有權(quán)。這種等待方式避免了線程上下文切換帶來的開銷，因此比較適用于鎖競爭不激烈且鎖定時間非常短的場景。

自旋鎖原理

當一個線程嘗試獲取自旋鎖時，如果發(fā)現(xiàn)鎖已被占用，則該線程會進入一個循環(huán)，不斷檢查鎖是否已被釋放。一旦鎖的持有者完成操作并釋放鎖后，正在自旋的線程即可立即獲得鎖并繼續(xù)執(zhí)行。

什么場景適合使用自旋鎖

自旋鎖比較適合的使用場景如下：

鎖被持有的時間比較短短。

不希望在線程的重新調(diào)度上花費太多成本。

多核處理器上，線程可以在其他核上自旋，而不影響持有鎖的線程。

自旋鎖的優(yōu)缺點

自旋鎖有如下幾個優(yōu)點：

對于鎖的持有時間比較短的場景，自旋鎖無需線程掛起和恢復(fù)，從而減少了上下文切換帶來的開銷。

在鎖競爭不激烈且持有鎖的時間比較短的情況下性能優(yōu)于互斥鎖，可以提高系統(tǒng)的整體吞吐量。

自旋鎖有如下幾個缺點：

在鎖競爭激烈的情況下會導致 CPU 空轉(zhuǎn)，消耗大量資源，降低系統(tǒng)效率。

如果持有鎖的時間較長，自旋鎖可能會導致性能問題。

不適合單核處理器，因為自旋會占用整個處理器資源。

Golang 中的自旋鎖實現(xiàn)

Go 語言標準庫沒有直接提供自旋鎖的實現(xiàn)，但可以使用原子操作（sync/atomic 包）來實現(xiàn)一個簡單的自旋鎖。下面是一個自旋鎖的基本實現(xiàn)示例代碼：

package main
 
import (
    "runtime"
    "sync/atomic"
    "time"
)
 
type SpinLock uint32
 
// Lock 嘗試獲取鎖，如果鎖已經(jīng)被持有，則會自旋等待直到鎖釋放
func (sl *SpinLock) Lock() {
    for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
       runtime.Gosched() // 不要占滿整個CPU，讓出時間片
    }
}
 
// Unlock 釋放鎖
func (sl *SpinLock) Unlock() {
    atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
}
 
// NewSpinLock 創(chuàng)建一個自旋鎖
func NewSpinLock() *SpinLock {
    return new(SpinLock)
}
 
func main() {
    lock := NewSpinLock()
    lock.Lock()
    // 臨界區(qū)
    time.Sleep(1 * time.Second) // 模擬臨界區(qū)操作
    lock.Unlock()
}

在這個例子中，定義了一個名為 SpinLock 的類型，Lock 方法使用 atomic.CompareAndSwapUint32 函數(shù)嘗試將鎖的狀態(tài)從 0 改為 1，如果改變成功，則表示獲取到了鎖。如果沒有成功（即鎖已被其他線程持有），則會進入一個循環(huán)，不斷嘗試獲取鎖。在循環(huán)中，調(diào)用 runtime.Gosched() 來讓出當前線程的時間片，可以避免一個線程長時間占用 CPU 而不給其他線程執(zhí)行的機會。Unlock 方法則簡單地將鎖的狀態(tài)重新設(shè)置為 0，表示鎖已經(jīng)釋放。