自己動手寫自旋鎖

自旋鎖以其高效聞名。顧名思義，自旋即如果無法成功鎖住鎖資源則會一直循環嘗試鎖，這與互斥鎖的行為較為不同（互斥鎖如果無法鎖住則會掛起等待）。但其特性也決定了其使用場景，對於簡單幾步即可完成對共享資源操作的場景，自旋鎖效率將會高於互斥量。

本文給出自旋鎖的一種x86平臺實現。

其實，gcc在4.1以後的版本就支持了內置的自旋鎖實現，而各大類UNIX系統中也提供了pthread_spin_lock這樣的自旋鎖函數。那麼為什麼還要自己實現呢？

這是由於一些歷史遺留問題和跨平臺移植共同導致的結果，例如RHEL5 32位系統，其自帶的gcc並不支持自旋鎖，也沒有pthread_spin_lock，但我們依舊需要使用自旋鎖特性，那麼只好自己動手豐衣足食了。

閒話少敘，代碼奉上：

<code>#define barrier() asm volatile ("": : :"memory")
#define cpu_relax() asm volatile ("pause\\n": : :"memory")
static inline unsigned long xchg(void *ptr, unsigned long x)
{
    __asm__ __volatile__("xchg %0, %1"
                         :"=r" (x)
                         :"m" (*(volatile long *)ptr), "0"(x)
                         :"memory");
    return x;
}

void spin_lock(void *lock)
{
    unsigned long *l = (unsigned long *)lock;
    while (1) {
        if (!xchg(l, 1)) return;
        while (*l) cpu_relax();
    }
}

void spin_unlock(void *lock)
{
    unsigned long *l = (unsigned long *)lock;
    barrier();
    *l = 0;
} 


int spin_trylock(void *lock)
{
    return !xchg(lock, 1);
}/<code>

可以看到，這裡我們使用了內聯彙編，且用到了彙編指令pause。

關於pause，給出pause指令的一段解釋：

Improves the performance of spin-wait loops. When executing a "spin-wait loop," a Pentium 4 or Intel Xeon processor suffers a severe performance penalty when exiting the loop because it detects a possible memory order violation. The PAUSE instruction provides a hint to the processor that the code sequence is a spin-wait loop. The processor uses this hint to avoid the memory order violation in most situations, which greatly improves processor performance. For this reason, it is recommended that a PAUSE instruction be placed in all spin-wait loops.

大意是說這個指令可以提升自旋等待的性能，這個指令將作為對處理器的一個線索或者暗示（hint），讓處理器儘量避免該指令出現時可能存在的內存亂序存儲問題。

同時這個指令也將降低自旋等待時的電力消耗。pause指令是Pentium 4處理器引入的。

上面的例子中，我們還使用了volatile關鍵字，這個關鍵字在網上有非常多的文章詳細解釋，主要是兩方面作用：

• 告訴編譯器該關鍵字部分不可以做任何優化
• 使用該關鍵字的變量每次必須從內存中讀取，而不能放在cache或寄存器中備份

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關鍵字: Xeon 關鍵字 UNIX