嵌入式Linux：线程同步（自旋锁）
目录
1、自旋锁初始化与销毁
2、自旋锁加锁与解锁
Linux 自旋锁（spinlock）是一种用于保护共享资源的锁机制，常用于多核处理器中，在某个核（或线程）试图获取锁时，如果发现锁已被其他核持有，它会忙等（不断循环检查）而不是让出 CPU 时间片。自旋锁的特点是适用于锁的持有时间非常短的场景，因为它在等待期间不会主动放弃 CPU，而是不断尝试获取锁，这在多核系统中可以避免由于线程调度带来的上下文切换开销。
工作原理：
- 加锁：线程尝试获取锁，如果成功，则进入临界区。如果锁已经被占用，线程会不停地轮询检查锁是否释放。
- 忙等（自旋）：如果锁被占用，线程会持续忙等，不会主动让出 CPU。这样避免了上下文切换，但消耗了 CPU 资源，因此自旋锁适用于锁定时间较短的场景。
- 解锁：当临界区的任务完成后，线程释放锁，其他正在忙等的线程可以继续尝试获取锁。
自旋锁常用于以下情况：
- 需要保护的代码段执行时间非常短，能够迅速释放锁。
- 不希望线程进入睡眠状态或导致上下文切换，尤其是在内核中的中断处理程序或者性能要求高的系统。
- 多核系统中，并发访问的共享资源保护，避免线程在上下文切换中浪费时间。
自旋锁与互斥锁的比较如下：
实现方式上的区别：
- 自旋锁是一种轻量级锁机制，它本质上是在忙等状态下获取锁。当线程无法获取锁时，线程不会进入睡眠或等待状态，而是会不断地检查锁的状态，直到可以成功获取锁。
- 互斥锁则是一种更高层的锁，通常在无法获取锁时会导致线程进入阻塞状态。互斥锁可以让操作系统将当前线程挂起，等待锁可用时再唤醒。
开销上的区别：
- 自旋锁的主要优势在于没有上下文切换的开销，特别适用于锁持有时间很短的场景。由于自旋锁不会导致线程休眠，所以在处理器繁忙时可能会浪费 CPU 时间。如果等待时间较长，忙等会消耗过多的 CPU 资源，反而导致效率下降。
- 互斥锁的开销较大，因为线程在获取不到锁时会陷入休眠，直到获取到锁时才会被唤醒。休眠和唤醒的代价很高，特别是在频繁锁定/解锁的场景中会影响性能。
适用场景上的区别：
- 自旋锁常用于内核中或者需要避免上下文切换的场景。特别是在中断上下文中，自旋锁更为合适，因为中断处理程序不能被阻塞或休眠。它适用于那些执行时间极短的临界区，锁的持有时间必须足够短，才能避免因自旋导致 CPU 资源浪费。
- 互斥锁更适用于用户态的程序或者锁定时间较长的临界区。当程序无法获取到互斥锁时，系统可以调度其他线程运行，直到锁被释放，适合长时间的等待操作。
死锁问题：
- 如果对同一个自旋锁进行两次加锁操作，必然会导致死锁，因为自旋锁不具备递归性。
- 互斥锁则可以通过特定的类型来避免死锁。例如
PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK类型的互斥锁在检测到重复加锁时，会返回错误而不是陷入死锁状态。
1、自旋锁初始化与销毁
自旋锁需要在使用前进行初始化，并在不再使用时销毁。
初始化自旋锁函数如下：
#include <pthread.h>
int pthread_spin_init(pthread_spinlock_t *lock, int pshared);
参数：
lock：指向需要初始化的自旋锁对象。pshared：自旋锁的共享属性，可以取值：PTHREAD_PROCESS_SHARED：允许在多个进程中的线程之间共享自旋锁。PTHREAD_PROCESS_PRIVATE：自旋锁只能在同一进程内的线程之间使用。
返回值：成功时返回 0，失败时返回非零错误码。
销毁自旋锁函数如下：
int pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t *lock);
参数：lock：指向要销毁的自旋锁对象。
返回值：成功时返回 0，失败时返回非零错误码。
2、自旋锁加锁与解锁
加锁函数如下：
int pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t *lock);
参数：lock：指向要加锁的自旋锁对象。
返回值：成功时返回 0；如果锁已经被其他线程占用，则线程会忙等，直到成功获取锁，最终返回 0。
尝试加锁函数如下：
int pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t *lock);
参数：lock：指向要加锁的自旋锁对象。
返回值：
- 成功时返回
0。 - 如果锁已被占用，立即返回
EBUSY。
解锁函数如下：
int pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t *lock);
参数：lock：指向要解锁的自旋锁对象。
返回值：成功时返回 0，失败时返回非零错误码。
下面是一个完整的示例，展示如何使用自旋锁，包括初始化、加锁、解锁和销毁：
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>pthread_spinlock_t spinlock; // 定义自旋锁
int shared_data = 0; // 共享数据void *thread_func(void *arg) {pthread_spin_lock(&spinlock); // 加锁shared_data++;printf("Thread %ld: shared_data = %d\n", (long)arg, shared_data);pthread_spin_unlock(&spinlock); // 解锁return NULL;
}int main() {pthread_t threads[2];// 初始化自旋锁if (pthread_spin_init(&spinlock, PTHREAD_PROCESS_PRIVATE) != 0) {perror("Failed to initialize spinlock");return 1;}// 创建两个线程pthread_create(&threads[0], NULL, thread_func, (void *)1);pthread_create(&threads[1], NULL, thread_func, (void *)2);// 等待线程结束pthread_join(threads[0], NULL);pthread_join(threads[1], NULL);// 销毁自旋锁if (pthread_spin_destroy(&spinlock) != 0) {perror("Failed to destroy spinlock");return 1;}return 0;
}
自旋锁的主要问题在于，它在获取不到锁时不会释放 CPU，而是持续消耗资源。如果锁持有时间较长，CPU 的利用效率会急剧下降。因此，自旋锁不适合用于长时间锁定的场景，只适合那些临界区极短的操作。
通过对 pthread_spin_* 函数的合理使用，可以有效管理多线程访问共享资源的同步问题。确保在适当的地方进行加锁和解锁，以防止死锁和资源竞争。