C++ WonderTrader源码分析之自旋锁实现
一、介绍
在WonderTrader的文件SpinMutex.hpp定义了跨平台的自旋锁的实现。
二、实现原理
1、类 SpinMutex：自旋锁实现
SpinMutex 是一个轻量级的自旋锁（Spinlock）实现，用于多线程之间保护临界区资源。自旋锁通过不断尝试获取锁而不让出 CPU 控制权，在临界区非常短的场景下比 std::mutex 更高效
类定义与成员变量
class SpinMutex
{
private:std::atomic<bool> flag = { false };
含义：
- flag 是一个原子布尔变量，标志锁的状态：
- false：锁未被占用。
- true：锁已被占用。
- 使用 std::atomic 保证该变量在线程之间的读写是原子的，不会产生数据竞争。
lock() 方法：尝试加锁（进入临界区）
void lock()
{for (;;){if (!flag.exchange(true, std::memory_order_acquire))break;while (flag.load(std::memory_order_relaxed)){
#ifdef _MSC_VER_mm_pause();
#else__builtin_ia32_pause();
#endif}}
}
（1）、尝试抢锁
if (!flag.exchange(true, std::memory_order_acquire))break;
含义：
- 尝试将 flag 从 false 变成 true。
- exchange 是一个原子操作，返回交换前的值。
- 如果原值是 false，说明锁空闲，抢锁成功，跳出循环。
- memory_order_acquire 的作用：
- 表示获取操作：确保当前线程在获取锁之后，看到的所有共享内存变动是“可见的”。
- 保证锁之后的内存操作不会重排到 exchange 之前。
（2）、锁被占用，进入自旋等待
while (flag.load(std::memory_order_relaxed))
{
#ifdef _MSC_VER_mm_pause();
#else__builtin_ia32_pause();
#endif
}
含义：
- 如果抢锁失败，说明 flag == true，就会进入这个 while，不断检测锁是否释放。
- 自旋期间只读取，不尝试修改。
- memory_order_relaxed：
- 只要求原子性，不需要内存可见性或顺序一致性。
- 适合用于自旋中不断读状态，无需同步其他内存操作。
- _mm_pause() / __builtin_ia32_pause()：
- 都是CPU pause 指令，告诉处理器“我在忙等，不要发热也 不要让乱序执行干扰这个循环”。
- 优化超线程（HT）下的性能，降低能耗和缓存一致性压力。
- _mm_pause() 是 Intel/微软的，__builtin_ia32_pause() 是 GCC/Clang 提供的
这段代码的整体思路：
1 尝试交换（CAS）：把 flag 从 false 设置为 true。
2 成功 → 抢到锁，退出。
3 失败 → 等着别人释放（即 flag 变为 false）。
4 不断读（load）+ pause，直到别人释放锁，继续尝试抢锁。
unlock() 方法：释放锁
void unlock()
{flag.store(false, std::memory_order_release);
}
含义：
- 将 flag 设为 false，表示锁释放，别人可以抢锁了。
- memory_order_release：
- 表示释放操作：保证当前线程在释放锁前对共享内存的所有写操作，对下一个加锁的线程是可见的。
- 保证写操作不会重排序到 store 之后。
整体流程
Thread A Thread B
--------- ----------
flag == false
↓
exchange(true) → 成功
flag = true（锁住）
执行临界区
↓
store(false)（解锁） load(flag) → falseexchange(true) → 成功进入临界区2、类 SpinLock：RAII 自旋锁管理器
构造函数：
SpinLock(SpinMutex& mtx) :_mutex(mtx) { _mutex.lock(); }
接收一个 SpinMutex 引用，并立即加锁。
析构函数：
~SpinLock() { _mutex.unlock(); }
离开作用域时自动释放锁，避免忘记 unlock() 导致死锁。
拷贝构造 & 赋值删除：
SpinLock(const SpinLock&) = delete;
SpinLock& operator=(const SpinLock&) = delete;
禁止复制和赋值，避免一个锁对象被多次释放，保证线程安全。
三、使用举例
#include "SpinMutex.hpp"
#include <vector>
#include <thread>SpinMutex spin_mtx;
int counter = 0;
void worker(int id, int loops)
{for (int i = 0; i < loops; ++i){SpinLock lock(spin_mtx); // 自动加锁++counter; // 临界区// 离开作用域时自动解锁}
}
int main() {int thread_count = 4;int loops = 100000;std::vector<std::thread> threads;threads.reserve(thread_count);for (int i = 0; i < thread_count; ++i)threads.emplace_back(worker, i, loops);for (auto& t : threads)t.join();std::cout << "Final counter = " << counter << std::endl;
}