自旋锁与互斥锁

自旋锁（spinlock)与互斥锁(mutex)是并发编程中两个重要的概念。它们的主要作用是：对共享资源加锁以阻止数据的并发访问，从而保证数据一致性。但是它们也有一些不同点。本文主要介绍这些不同点，并说明我们什么时候该用自旋锁，什么时候该用互斥锁。

理论基础

理论上，当一个线程尝试去获取一个互斥锁，但由于该互斥锁已经被其它线程获取而没有成功时，它会立刻进入休眠状态，从而让出CPU时间，允许其它线程运行。它将持续休眠直到最终被唤醒，唤醒的条件是之前获取到该互斥锁的线程释放了互斥锁；

对比一下，当一个线程尝试去获取一个自旋锁，但由于该自旋锁已经被其它线程获取而没有成功时， 它将会反复获取它(在英文中叫polling)，直到最终成功。因此在获取自旋锁的时候，该线程不会让出CPU时间，其它线程将不能运行，当然，操作系统不会允许一个线程一直阻塞整个系统的运行，在某个线程花完了它的CPU运行总时间后，它会强制切换到另外线程执行。（注：线程一次使用的CPU总时间的最大上限可以通过ulimit -t查看，单位为秒）

问题

对于互斥锁，使线程进入休眠以及唤醒线程都是比较昂贵的操作，需要相当多的CPU指令，花费较长的CPU时间。如果A线程获取到该互斥锁后，只是持有了很短的一段时间就释放，那么B线程在获取互斥锁的过程中，B线程进入休眠以及被唤醒花费的CPU时间可能超过了B线程休眠的时间，甚至可能超过了采用的自旋锁时polling的时间；

另一方面，对于自旋锁，反复获取自旋锁将会花费很多CPU时间，如果A线程持有该锁的时间过长，那么尝试获取该锁的B线程将会占用很多CPU时间，在这种情况下，让B线程进入休眠反而会更好些。

解决方案

不要在单CPU单核的系统上使用自旋锁，因为当A线程获取自旋锁polling的时候，可能会阻塞仅有的CPU导致其它所有的线程都不能运行，而其它线程不能运行意味着需要释放该自旋锁的B线程也得不到CPU时间不能运行，那么该自旋锁将不会被释放。也就是说，自旋锁浪费了仅有的系统CPU时间而没有获得任何好处（能获取到锁的条件是polling耗费掉其CPU总时间后，系统切换到B线程，B线程释放锁后，A线程再次执行时才获得锁）。如果A线程在不能获取到锁的时候就立刻进入休眠，B线程可能就可以立刻执行，有可能B线程会立刻释放掉锁，在A线程被唤醒后，就可以继续执行。

在多CPU多核的系统上，如果大量的锁被持有的时间都很短，那么浪费在不断使线程进入休眠和唤醒线程的时间将会很多，有可能显著的降低系统性能。当采用自旋锁的时候，线程可以有机会利用它们可以使用的CPU时间片，在短暂的阻塞后立刻进行后续的工作，从而最大限度的提高CPU的使用率。

实践策略

因为在多数情况下程序员不知道到底是使用自旋锁还是互斥锁更好（因为不能提前知道程序运行的系统CPU核数），操作系统也不可能知道某段代码被优化为运行在单核或多核环境下，大多数操作系统也并不能严格区分互斥锁还是自旋锁。事实上，多数现代操作系统均采用混合的互斥锁和混合的自旋锁，这是为什么呢？

混合的互斥锁的行为在开始时类似于在多核系统上的自旋锁：如果A线程不能获取锁，它不会被立刻休眠，因为该互斥锁可能会立刻被释放，所以互斥锁开始时表现会类似于自旋锁。只有在A线程等待了一段足够长的时间后还没有获得该互斥锁时才会被休眠。如果同样的程序运行在一个单核系统上，那么互斥锁将不会自旋，因为这没有任何好处。

混合的自旋锁的行为在开始时和一般的自旋锁一样，但是为了避免浪费过多的CPU时间，它可能会采用一个折中的策略：系统不会让线程进入休眠（因为使用自旋锁时你肯定不希望休眠发生），但是会决定什么时候停止线程让其他线程运行（要么立刻，要么在一段固定时间后），因此增加了自旋锁解锁的机率。（单纯的线程切换通常没有使线程进入休眠再唤醒线程代价那么昂贵）

总结

如果不确定，那么使用互斥锁，这通常是更好的选择。在能够获得益处的情形下，大多数的现代操作系统将允许互斥锁自旋(polling)一段时间。采用自旋锁在某些时候会提高性能，但是只是在某些特定的条件下。事实上，你是在怀疑而不是告诉我，你目前没有任何项目采用自旋锁可能获益。你可能会采用你自己定义的“锁对象”，它在内部要么使用自旋锁，要么使用互斥锁（例如，使用何种类型的锁在创建时是可配置的），初始时，在所有的地方都使用互斥锁，如果在某些地方使用自旋锁可能会有帮助，那么请试一试，并比较二者的结果，在得出结论前，一定要确保比较的时候要测试了单核和多核系统，如果你的程序是跨平台的，也请测试各种操作系统。

原文：http://www.pixelstech.net/article/1397962421-Practice-of-using-spinlock-instead-of-mutex

自旋锁与互斥锁