自旋锁和睡眠锁的区别

这篇文章通过同自旋锁对比的形式讲解睡眠锁的本质。

在多线程编程中，当一个线程试图获取一个已经被其他线程持有的锁时，它有很多选择，例如自旋等待，即不断地检查锁是否已经被释放；或者睡眠等待，即让出CPU，进入睡眠状态，等待被唤醒。

PAUSE 指令

在x86架构的CPU中，pause指令会让当前线程暂停一段时间，然后再继续执行。这个暂停的时间通常非常短，只有几个CPU周期。这个指令通常用于自旋锁的实现，以减少CPU的使用率。

然而，pause指令并不会导致CPU切换到其他线程。当一个线程执行pause指令时，它仍然占用着CPU，只是在这段时间内，它不会执行任何其他操作。这就是为什么pause指令可以减少CPU的使用率：它让CPU有机会在短暂的时间内停止执行指令，从而减少了CPU的功耗。

pause 指令的作用是暂停流水线并减少功耗，但它并不会让出CPU给其他线程。也就是说，执行 pause 指令的线程仍然处于运行状态，而不是就绪或等待状态。因此， pause 指令并不能让出CPU，它只是让CPU在等待时消耗更少的资源。

所以，当你在代码中看到pause指令时，你应该理解为这是一种优化手段，用于减少自旋锁在忙等状态下的CPU使用率，而不是一种让出CPU的方式。因此，即使在自旋等待中插入了pause操作，也不能改变自旋等待在等待获取锁的过程中会占用CPU的事实。

使用场景

自旋锁和睡眠锁是两种常见的锁机制，它们在不同的场景下有各自的优势。

自旋锁（Spinlock）：当一个线程尝试获取自旋锁而锁已经被其他线程持有时，该线程将在一个循环中不断地检查锁是否可用。由于该线程在此期间一直处于运行状态，所以被称为自旋锁。自旋锁适用于锁持有时间非常短的情况，因为线程不会在等待锁的过程中被挂起，所以可以立即获取锁，避免了线程上下文切换的开销。

睡眠锁（Sleeping lock）：当一个线程尝试获取一个已经被其他线程持有的睡眠锁时，该线程将被挂起（或者说“睡眠”），直到锁被释放。这种锁适用于锁持有时间较长的情况，因为它可以让出CPU给其他线程使用。

自旋锁的典型使用场景是低级别的系统代码，如操作系统内核。例如，在Linux内核中，自旋锁被用于保护任务队列。因为操作系统代码通常不能被挂起（因为它可能正在处理一个更高级别的中断），所以自旋锁是一个很好的选择。

睡眠锁的典型使用场景是用户级别的代码，如数据库系统。例如，一个数据库可能使用睡眠锁来保护对数据库表的访问。因为数据库操作可能需要一段时间来完成（例如，需要从磁盘读取数据），所以使用睡眠锁可以在等待期间让出CPU给其他线程使用。

睡眠锁使用示例

在C++中，std::mutex是一种常用的睡眠锁。当一个线程试图获取一个已经被其他线程持有的std::mutex时，它会被操作系统挂起，进入睡眠状态。在这个过程中，CPU可以被其他线程或进程使用，因为当前线程并没有执行任何操作。当锁被释放时，操作系统会唤醒等待的线程，让它再次尝试获取锁。

这个过程并不涉及到pause操作。pause是一种用于自旋锁的优化手段，它可以让当前线程暂时让出CPU，以减少CPU的使用率。但是，在睡眠锁中，线程在等待获取锁的过程中并不会执行任何操作，所以不需要pause操作。

以下是一个使用std::mutex的简单示例：


#include <mutex>
#include <thread>

std::mutex mtx;

void worker() {
    mtx.lock();
    // 执行一些操作...
    mtx.unlock();
}

int main() {
    std::thread t1(worker);
    std::thread t2(worker);

    t1.join();
    t2.join();

    return 0;
}

在这个示例中，worker函数试图获取mtx锁。如果mtx已经被其他线程持有，那么当前线程会被挂起，进入睡眠状态，等待被唤醒。

总结

总结一下，自旋锁和睡眠锁的本质区别在于自旋锁在等待的过程中始终占有 CPU 不会切换上下文，而睡眠锁在等待的过程中不会占有 CPU 而是让 CPU 去执行其他任务等待条件满足后再唤醒睡眠锁。

everystep

PAUSE 指令

使用场景

睡眠锁使用示例

总结