辨析：自旋锁与信号量

Posted 2022-12-12 铁锚

自旋锁(Spinlock)
信号量(Semaphore)：

1. 自旋锁与信号量简介

自旋是锁的一种实现方式，通过忙等待（“自旋，spinning”）来实现【例如通过while循环持续请求获取锁】。

信号量的概念比锁的范围更大, 可以说, 锁是信号量的一种特殊情况。

一般来说，自旋锁只在进程内有效，而信号量可同于控制多个进程之间的同步。

锁主要用于互斥操作，也就是说，每次只允许一个线程持有这个锁（的钥匙）并继续执行代码的“关键部分（critical section）”。
关键部分是指可以由多个线程执行的, 修改共享数据的那部分代码。

信号量有一个计数器(counter)，同一时刻最多允许被N个线程获取，具体是多少线程则取决于设置的值， 在某些实现中这个值就是允许的最大值。

从这点来看，可以认为锁是信号量的一种特殊情况，即信号量计数器最大值为1的情形。

2. 常规情况下的行为

如上所述，自旋锁是一种锁，也就是一种互斥机制。
实现原理是重复尝试 “查询并修改内存位置”, 一般来说这种 “查询并修改” 是原子操作。
通过自旋来获取锁, 是一致“忙碌”的操作，可能长时间（甚至永远！）占用CPU，实际上却什么有效工作都没做。

使用自旋的原因在于:

• 上下文切换的开销，相当于上千次循环操作的开销，如果可以通过浪费少量的CPU周期来获得锁，则总体来说更划算。
• 另外，实时计算程序明显是不能接受阻塞和唤醒的, 而且这种唤醒还是在不确定的时间才轮到调度程序来通知。

相比之下，信号量可以不需要进行旋转，或者仅旋转很短的时间（作为一种避免系统调用的优化）。
如果无法获取信号量，则线程会阻塞，从而将CPU时间让给其他准备运行的线程。
当然，这可能意味着在重新安排线程前要经过几毫秒，如果这不是问题， 那么它的效率可能更高，这是一种节省CPU资源的实现方法。

3. 在竞争激烈时的行为

常见的误解是自旋锁或无锁算法的“速度会更快”，或者误以为他们仅对“非常短的任务”有用。
比如, 理想情况下，没有哪个同步对象锁的保留时间超过必要的时间。

在竞争激烈的情况下, 自旋锁和信号量实现的行为差异很大。

设计良好的系统一般很少阻塞，或者没有阻塞。也就是说不应该发生所有线程都在同一时间争抢锁资源的情况。
比如我们一般都不会编写这样的代码： 先获取锁之后，再从网上下载很大的zip压缩文件，接着转码解析，再去修改共享资源（比如将数据加到列表/Map中），最后才释放锁。
应该采用的策略是：只在访问共享资源时，才去获取锁。

在关键部分外面的工作量，要比关键部分内部的工作量要大，才比较合理。
自然，一个线程处于关键部分的执行时间要非常短， 这样的话也就很少发生多个线程同时争用锁的情况。
当然，偶尔也会有多个线程同时尝试获取锁（假如没有这种情况的话，那就不需要锁了！）；在“健康”的系统中这是很少发生的情景。

在没有激烈锁争用的情况下，自旋锁的性能要大大优于信号量； 因为没有锁拥塞，获取自旋锁的开销仅为几十个CPU周期， 而上下文切换的开销则至少几百/上千个时钟周期，而且操作系统的时间片切换周期还有可能会丢弃几千万个时钟周期。

如果拥塞程度很高，或者锁会被长时间持有（有时候真的没办法！），在这种场景下，使用自旋锁则会消耗大量的CPU时间，却什么活都没干。

这时候使用信号量（或互斥锁）是一种更好的解决办法，因为没有抢占CPU，其他线程在这段时间内就可以有效运行。
如果没有需要使用CPU的线程，则操作系统会降低CPU的速度，以减少热量并节约电费。

在单核CPU的系统上，自旋锁在锁拥塞的情况下效率会更低，因为自旋的线程会将所有时间都浪费在等待状态改变。 除非另一个线程被调度，执行完关键部分并释放锁之后，这个线程的情况才可能会改变。
因此，在有争用的场景中，通过信号量获取锁， 最好的情况大约需要1~2个时间片（假设释放锁的线程恰好在下一个时间片被调度），但这种情况并不理想。

4. 自旋锁与信号量的实现方式

在Linux系统中, 信号量实现通常会用到 sys_futex（可选带有自旋锁，在尝试一定次数后退出）。

自旋锁通常使用原子操作来实现， 而不使用操作系统提供的系统函数。
以前的实现需要使用编译器内部函数或者不可移植的汇编指令。
而在 C++11 和 C11 中，都将原子操作作为语言的一部分。
因此，现在实现可移植的无锁代码已经很方便了。 当然，编写可证明其正确性的代码还是有一点难度的。

线程切换的代价

Linux 时间片默认0.75~6ms; Win XP大约10-15ms左右； 可能高可能低，但量级在ms级。 假设CPU是2GHZ，则每时间片大约对应2M个时钟周期。

JDK的信号量实现是经过优化的，实际上先进行了一定量的自旋操作。 好处是充分利用了操作系统分配给当前线程的时间片，否则这个时间片就被浪费了。

如果进行多个线程的 synchronized 和 wait-notify 切换测试，会发现程序的性能基本上不受时间片周期的影响。

Stackoverflow上的问题链接: https://stackoverflow.com/questions/195853/spinlock-versus-semaphore