【C/C++】多线程下自旋锁的行为逻辑
文章目录
- 多线程下自旋锁的行为逻辑
- 1 自旋锁的基本逻辑
- 2 线程状态分析
- 3 自旋锁缺点
- 4 自旋锁优化方式
- 5 多核场景
- 总结
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
| 线程状态 | 说明 |
|---|---|
| 持锁线程 | 正常执行，直到 unlock() |
| 自旋线程 | CPU 上循环尝试获取锁（高 CPU 占用），处于 Running 状态 |
| 阻塞线程 | 不是自旋锁的行为，阻塞/挂起是互斥锁或条件变量做的事 |
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
- 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
}
- 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
- 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。
- 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：
| 策略 | 描述 |
|---|---|
| 时间片轮转（round-robin） | 每个线程轮流使用 CPU |
| 优先级调度 | 优先级高的线程更容易获得 CPU |
| 多队列反馈 | 结合线程运行情况动态调整优先级 |
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）
- 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
| 时间 | 核心 0 | 核心 1 | 核心 2 | 核心 3 |
|---|---|---|---|---|
| T0 | 线程 A | 线程 B | 线程 C | 线程 D |
| T1 | 线程 A | 线程 B | 线程 E | 线程 F |
同时最多执行 4 个线程，剩下的在线程队列中等待调度。
- 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。
-
举个真实案例：8线程自旋 + 4核 CPU
-
线程 A 拿到自旋锁。
-
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。 -
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。 -
其余线程继续自旋。
总结
| 情况 | 自旋锁表现 |
|---|---|
| 锁未被持有 | 线程获取锁，正常执行 |
| 锁被持有 | 自旋线程持续运行，占用 CPU |
| 高并发场景 | 多线程争用，自旋浪费严重 |
| 最佳用途 | 锁持有时间非常短的临界区，如 CPU 缓存级并发控制 |
| 问题 | 回答 |
|---|---|
| 多个线程可以运行吗？ | 可以，但并发度受限于 CPU 核数 |
| 谁获得 CPU 执行？ | 操作系统调度器决定，基于策略 |
| 多核是怎么处理多线程的？ | 各核独立运行线程，实现真正并行 |
| 自旋锁时线程状态？ | 在运行或就绪态，不会自动 sleep |