c++ - 自旋锁与信号量

Question

信号量和自旋锁之间的基本区别是什么？

我们什么时候在自旋锁上使用信号量？

Answer 1

自旋锁和信号量的区别主要有四点:

1.它们是什么
自旋锁是锁的一种可能实现，即通过忙等待(“自旋”)实现的一种。信号量是锁的泛化(或者，反过来说，锁是信号量的特例)。通常，但不一定，自旋锁仅在一个进程内有效，而信号量也可用于在不同进程之间进行同步。

锁用于互斥，即 一 线程一次可以获取锁并继续执行代码的“关键部分”。通常，这意味着修改由多个线程共享的某些数据的代码。
信号量有一个计数器，并允许它自己被 获取。一个或几个线程，取决于您发布给它的值，以及(在某些实现中)取决于它的最大允许值是什么。

就此而言，可以将锁视为最大值为 1 的信号量的特殊情况。

2.他们做什么
如上所述，自旋锁是一种锁，因此是一种互斥(严格来说是 1 对 1)机制。它通过重复查询和/或修改内存位置来工作，通常以原子方式。这意味着获取自旋锁是一个“忙碌”的操作，它可能会长时间(可能永远!)消耗 CPU 周期，而它实际上“什么也没有”。
这种方法的主要动机是上下文切换的开销相当于旋转数百(或数千)次，因此如果可以通过燃烧几个循环旋转来获取锁，这总体上很可能是更有效率。此外，对于实时应用程序，阻塞并等待调度程序在将来某个很远的时间返回它们可能是 Not Acceptable 。

相比之下，信号量要么根本不旋转，要么只旋转很短的时间(作为避免系统调用开销的优化)。如果无法获取信号量，它将阻塞，将 CPU 时间分配给准备运行的不同线程。这当然可能意味着在您的线程再次被调度之前经过几毫秒，但如果这没有问题(通常不是)，那么它可能是一种非常有效的、CPU 保守的方法。

3.它们在拥塞情况下的行为
自旋锁或无锁算法“通常更快”，或者它们仅对“非常短的任务”有用(理想情况下，任何同步对象都不应持有超过绝对必要的时间)，这是一种常见的误解。
一个重要的区别是不同方法在拥塞情况下的表现。

设计良好的系统通常拥塞很少或没有拥塞(这意味着并非所有线程都尝试在完全相同的时间获取锁)。例如，通常不会编写获取锁的代码，然后从网络加载半兆字节的 zip 压缩数据，解码和解析数据，最后修改共享引用(将数据附加到容器等)。在释放锁之前。相反，人们只会为了访问共享资源的目的而获取锁。
由于这意味着临界区外的工作比临界区内的工作要多得多，因此线程在临界区内的可能性自然相对较低，因此很少有线程同时争用锁。当然，两个线程会时不时地尝试同时获取锁(如果这不会发生，您就不需要锁!)，但这与其说是“健康”系统中的规则，不如说是异常(exception).

在这种情况下，自旋锁的性能大大优于信号量，因为如果没有锁拥塞，获取自旋锁的开销仅为几十个周期，而上下文切换需要数百/数千个周期，丢失需要 10-2000 万个周期时间片的剩余部分。

另一方面，考虑到高拥塞，或者如果锁被持有很长时间(有时你就是情不自禁!)，自旋锁会燃烧疯狂数量的 CPU 周期而一事无成。
在这种情况下，信号量(或互斥量)是更好的选择，因为它允许不同的线程在此期间运行有用的任务。或者，如果没有其他线程可以做一些有用的事情，它允许操作系统降低 CPU 速度并减少热量/节约能源。

此外，在单核系统上，自旋锁在锁拥塞的情况下效率非常低，因为自旋线程将浪费其全部时间等待不可能发生的状态更改(直到调度释放线程，这是等待线程运行时不会发生!)。因此，考虑到任何数量的争用，在最佳情况下(假设释放线程是下一个被调度的线程)，获取锁需要大约 1 1/2 个时间片，这不是很好的行为。

4. 如何实现
现在信号量通常会包裹 sys_futex在 Linux 下(可选带有在几次尝试后退出的自旋锁)。
自旋锁通常使用原子操作实现，而不使用操作系统提供的任何东西。过去，这意味着使用编译器内部函数或不可移植的汇编器指令。同时，C++11 和 C11 都将原子操作作为语言的一部分，因此除了编写可证明正确的无锁代码的一般困难之外，现在可以在完全可移植和(几乎)无痛的方式。