【C/C++】多线程下自旋锁的行为逻辑

多线程下自旋锁的行为逻辑

如果是自旋锁（spinlock）逻辑，当一个线程已经持有锁时，其他线程会不断尝试获取锁，处于“忙等（busy-waiting）”状态，不会主动休眠、挂起或进入阻塞态，除非你显式地这么写。

1 自旋锁的基本逻辑

std::atomic_flag lock = ATOMIC_FLAG_INIT;

void lock_spin() {
    while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
        // 自旋：啥也不做，继续尝试获取锁
    }
}

void unlock_spin() {
    lock.clear(std::memory_order_release);
}

• test_and_set() 会原子地设置 lock 为 true，并返回旧值。
• 如果另一个线程已设置 lock = true，那么当前线程会进入 while 循环 —— 这就是“忙等”。
• 自旋期间线程不会释放 CPU，也不会进入 sleep 或 yield，仍然在占用计算资源。

2 线程状态分析

在操作系统中，自旋线程的状态在调度器眼中通常是 “running”，如果被抢占则为 “ready”，而不是 “waiting” 或 “sleeping”。

3 自旋锁缺点

• CPU 浪费大：线程处于忙等状态，浪费 CPU 周期。
• 在多核下高竞争时非常低效。
• 如果持锁线程长时间执行（或阻塞），自旋线程将毫无意义地消耗资源。

4 自旋锁优化方式

1. 加上 pause/yield 提示 CPU 优化自旋：

while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
    std::this_thread::yield();  // Hint 给操作系统让出 CPU
}

2. 自旋 + 回退 + sleep（适合高争用）：

int count = 0;
while (lock.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
    if (++count > 1000) {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::microseconds(10));  // 主动退让
    }
}

5 多核场景

1. 可以有多个线程处于“运行态”吗？

可以有多个线程处于“就绪态（ready）”或“运行态（running）”，但实际同时运行的线程数量受限于 CPU 核心数。

• 操作系统的线程调度器会维护多个状态：

  • Running：正在某个 CPU 核上执行。
  • Ready：准备好运行，但暂时没分配到 CPU。
  • Waiting/Sleeping/Blocked：在等 I/O、锁、条件变量等。

• 如果你的系统是 4 核 CPU，那么最多可以同时运行 4 个线程（真正的并行）。

• 其他线程即使“处于运行态”，但本质上是 ready 状态，被 OS 调度器等待调度。

2. CPU 怎么决定“分配给谁”？
   由操作系统的 线程调度器（scheduler） 决定。调度策略有多种：

调度器会考虑：

• 线程优先级（nice 值、real-time 等）
• 当前负载（load balancing）
• CPU cache affinity（避免 cache miss）
• 多核负载均衡（尽量让线程平均分布到各个核心）

3. 多核 CPU 下的多线程运行模型

• 多核 = 真正的“并行”执行

如果你有 8 核 CPU，你的 8 个线程可以真正在同一时间点并行执行，每个线程占用一个核心。线程之间通过共享内存、缓存一致性协议（如 MESI）等机制保持同步。

示例：4 个线程，4 核 CPU

同时最多执行 4 个线程，剩下的在线程队列中等待调度。

4. 自旋锁下，多线程抢锁是怎样的？

• 每个核心上的线程在同时执行 while (lock.test_and_set())，此时所有核的线程都在自旋。
• 哪个线程在某一时刻成功把 lock 从 false 设置为 true，它就赢得了执行权，进入临界区。
• 其他线程仍然自旋，不会被挂起。

5. 举个真实案例：8线程自旋 + 4核 CPU

6. 线程 A 拿到自旋锁。

7. 线程 B~H 也在尝试拿锁，它们会在各自 CPU 核或被调度时执行 while 自旋。

8. 一旦线程 A 执行完 unlock()，调度器从剩下的线程中挑选一个抢锁成功。

9. 其余线程继续自旋。

总结