SpinLock (TTAS) C-A-S 自旋锁实现原理

SpinLock (TTAS) C-A-S 自旋锁实现原理

引用

1. SpinLock.h
2. SpinLock.cpp

⚙️ 核心结构解析

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TTASLock 工作原理

Test-and-Test-and-Set (TTAS) 算法流程：

1. 初次测试：快速检查锁状态
2. 二次测试：执行原子CAS操作
3. 自旋循环：失败后重试

线程 内存位置（atomic _） 读取锁状态 CAS(0→1) 获取锁成功 返回失败/继续自旋 alt [CAS成功] [CAS失败] 等待/重试 alt [锁空闲（0）] [锁忙（1）] 线程 内存位置（atomic _）

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⚡ 完整工作流程

Yes

No

Yes

No

超时

线程请求锁

锁状态=0?

执行CAS操作

等待/重试

CAS成功?

进入临界区

退避延迟

执行关键代码

释放锁

设置锁=0

结束

获取失败

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⚠️ 致命缺陷：双核死锁场景

核心2

核心1

核心0

持有锁

被抢占

自旋等待

自旋等待

无法调度核心0

100% CPU占用

100% CPU占用

高优先级线程

高优先级线程

共享锁

低优先级线程

操作系统

CPU1

CPU2

死锁形成过程：

1. 核心0：低优先级线程持有锁
2. 核心1/2：高优先级线程自旋等待
3. 核心0被抢占，无法调度
4. 高优先级线程持续占用CPU
5. 系统资源耗尽 → 内核崩溃

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应用场景评估

场景	适用性	风险等级	说明
短临界区操作	★★★★★	低	<1000 CPU周期
非抢占式内核	★★★★☆	中	需确保持有者不被中断
NUMA系统	★★☆☆☆	高	跨节点访问延迟高
多核实时系统	★☆☆☆☆	极高	优先级反转风险
用户空间程序	★★★☆☆	中	需配合yield/pause指令

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⚠️ 主要局限性

1. CPU资源浪费

   • 自旋线程持续占用CPU核心
   • 无法执行其他任务
   • 功耗显著增加

2. 优先级反转问题

   等待

   运行

   持有锁

   调度MP

   高优先级线程

   锁

   中优先级线程

   OS

   低优先级线程
   • 高优先级线程因锁阻塞
   • 中优先级线程抢占CPU
   • 低优先级线程无法运行释放锁

3. 缓存颠簸

   • 多核同时访问同一缓存行
   • 总线带宽饱和
   • 性能断崖式下降

4. 无公平性保障

   • 后到线程可能先获取锁
   • 存在线程饥饿风险

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️ 优化方案

1. 指数退避策略

   尝试获取锁

   失败

   等待 1μs

   等待 2μs

   等待 4μs

   ...

2. MCS锁实现

   • 每个线程在本地自旋
   • 避免全局缓存行竞争
   • 实现先到先服务公平性

3. 混合锁机制

   if (spin_count < threshold) {
       // 自旋尝试
   } else {
       // 切换为阻塞等待
   }
   

4. 指令优化

   • 插入pause指令（x86）
   • 降低CPU功耗
   • 减少缓存竞争

关键结论：在锁持有时间小于两次上下文切换开销（约1-2μs）时，TTAS自旋锁性能最优；否则应改用互斥锁或其他同步机制。