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c++ 中原子锁、互斥锁、自旋锁的区别和详细用法

news 2025/8/10 7:35:44

用最生活化的比喻来解释 C++ 中原子锁、互斥锁和自旋锁的区别和用法，让小白也能秒懂！😄

想象你 （线程） 要去公共更衣室 （共享资源，如变量、数据结构） 换衣服。这个更衣室一次只能进一个人，否则就会走光 （数据竞争、数据不一致）。怎么安全高效地使用更衣室？三种锁对应三种策略：

🛡 1. 原子锁 (`std::atomic`) - 智能门禁卡

场景： 你 只想放一个钱包 (单个变量) 到更衣室的某个小格子里，放完/取出就走。
原理：
- 像带芯片的门禁卡，刷一下门瞬间开/关，整个过程 不可分割。
- CPU 保证读写这个 单一变量 的操作是 原子的（Atomic），即不会被别的线程打断。

C++ 代码：

#include <atomic>
#include <iostream>
#include <thread>std::atomic<int> sharedWallet(100); // 原子保护的钱包余额void addMoney(int amount) {sharedWallet += amount; // ⚡️原子操作：加载->计算->存储，一步完成不被中断
}int main() {std::thread t1(addMoney, 50); // 线程1存50std::thread t2(addMoney, 30); // 线程2存30t1.join();t2.join();std::cout << "Final balance: " << sharedWallet << std::endl; // 保证是180 ✅return 0;
}

优点：
- ⚡️ 极快：接近普通变量操作速度
- 🛡️ 安全：CPU 硬件保证原子性
缺点：
- 🚫 只能保护简单变量（整数、指针等），无法保护复杂操作或代码块。
何时用： 保护单个变量（如计数器、状态标志）。

🔒 2. 互斥锁 (`std::mutex`) - 传统门锁 + 排队区

场景： 你需要 占用整个更衣室换全套衣服 (执行一段代码/操作多个变量)。
原理：
1. 🔒 拿锁： 看到门关着（锁被占用）就去 排队睡觉（阻塞）。
2. 🛋️ 排队等待： 线程让出CPU，OS把它放到等待队列睡觉。
3. 🔑 解锁唤醒： 里面的人出来后喊“下一个！”，OS 叫醒排队的线程。

C++ 代码：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>
#include <vector>std::mutex dressingRoomMutex; // 更衣室门锁
int sharedLocker = 0;        // 更衣室里的储物柜（非原子）void useDressingRoom(int id) {// 🔒 尝试拿锁（如果锁被占，线程会在这里睡觉等待）dressingRoomMutex.lock(); // --- 临界区开始（一次只进一人）---std::cout << "Thread " << id << " is changing...\n";sharedLocker = id;       // 安全操作共享储物柜// 模拟复杂换装过程std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(100)); // --- 临界区结束 ---dressingRoomMutex.unlock(); // 🔓 开门！喊“下一个！”
}int main() {std::vector<std::thread> threads;for (int i = 0; i < 5; ++i) {threads.push_back(std::thread(useDressingRoom, i));}for (auto& t : threads) {t.join();}return 0;
}

优点：
- 🛡️ 绝对安全：能保护任意复杂代码块和数据。
- 💤 节省CPU：等待时睡觉，不占CPU资源。
缺点：
- 🐢 慢： 线程切换开销大（睡觉->唤醒要几百纳秒到微秒）。
何时用： 保护复杂操作/代码块（如修改链表、操作文件）。

🔁 3. 自旋锁 (`自旋实现` / `std::atomic_flag`) - 旋转不停的倔驴

场景： 你 只想进去放个手机就出来（操作耗时极短），但更衣室经常爆满。
原理：
- 看到门关着（锁被占）时，不！睡！觉！
- 原地疯狂旋转（循环），不断问：“好了没？好了没？...” 🙋♀️🙋♀️🙋♀️
- 直到里面的人出来，立刻冲进去！

C++ 代码（用 atomic_flag 实现）：

#include <atomic>
#include <thread>// 自旋锁类（实际项目可用std::mutex，这是原理演示）
class SpinLock {std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT; // 原子标志
public:void lock() {while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) { // 疯狂问：锁了吗？// 等待期可加入短暂暂停（CPU优化指令）// __mm_pause(); // (Intel指令) 降低CPU占用}}void unlock() {flag.clear(std::memory_order_release); // 解锁！}
};SpinLock spinLock; // 倔驴锁
int quickSharedData = 0;void quickUpdate(int id) {spinLock.lock(); // 🔁 开始倔驴模式：等锁时疯狂循环quickSharedData = id;   // 快速操作数据// ... 其他非常快的操作（< 几十纳秒）spinLock.unlock();      // 结束倔驴模式
}int main() {std::thread t1(quickUpdate, 1);std::thread t2(quickUpdate, 2);t1.join();t2.join();return 0;
}

优点：
- ⚡️ 响应极快：锁释放后能立刻获知（省去OS唤醒时间）。
- 🧠 简单高效：无需OS介入，无线程切换开销。
缺点：
- 🔥 烧CPU： 等待时占满CPU核心（100%忙等）。
- 🚫 不适长期等待： 如果锁被长期占用，自旋等于自杀式占用CPU。
何时用： 内核开发、耗时极短的临界区（如更新标志位）、实时系统。

🔍 终极对比表（哪种锁更好？）

特性	原子锁 (`std::atomic`)	互斥锁 (`std::mutex`)	自旋锁 (Spin Lock)
工作机制	CPU 硬件原子指令	OS 调度阻塞等待	CPU 循环忙等待
速度	⚡️ 极快 (≈普通变量)	⏱️ 较慢 (微秒级)	⚡ 很快 (纳秒级响应)
CPU占用	正常	等待时=0	等待时=100% ❗️
保护范围	单个简单变量	任意代码块/复杂数据	任意代码块/复杂数据
适用等待时间	无等待 (直接操作)	长等待 (毫秒以上)	极短等待 (纳秒级)
使用场景	计数器、状态标志	文件IO、复杂数据结构操作	高频短操作、内核中断处理