哪种自旋锁方法更有效：重试 test_and_set()，还是在 test() 上自旋只读？

Question

哪种自旋锁方法更好（在效率方面）？

#include <atomic>

#define METHOD 1


int main( )
{
    std::atomic_flag lock { };

#if METHOD == 1
    while ( lock.test_and_set( std::memory_order_acquire ) )
    {
        while ( lock.test( std::memory_order_relaxed ) );
    }
#else
    while ( lock.test_and_set( std::memory_order_acquire ) );
#endif

    lock.clear( std::memory_order_release );
}

这个例子来自cppreference。当我们在外循环中添加/删除对

test(std::memory_order_relaxed)

的调用时会发生什么？

我看到两种方法之间生成的代码有显着差异（here）。

Answer 1

一般情况下，在

.test()

上旋转只读版本是最好的，而不是从试图解锁它的线程中窃取缓存行的所有权。特别是如果自旋锁与任何其他数据位于相同的缓存行中，比如锁所有者可能正在读取的数据，你就会以这种方式创建更多更糟糕的错误共享。

此外，如果多个线程在同一个自旋锁上自旋等待，您不希望它们在内核之间的互连上浪费带宽，ping-ponging 包含锁的缓存行。 （如果经常发生多线程自旋，那么纯自旋锁通常是一个糟糕的选择。通常您希望最终通过操作系统辅助睡眠/唤醒将 CPU 交给另一个线程，例如通过

futex

。C++20

.wait()

和

.notify_one()

可以做到这一点，或者只是使用

std::mutex

或

std::shared_mutex

的良好实现。）。

详情见：

• 我对Locks around memory manipulation via inline assembly
的回答
• cmpxchg 是否在失败时写入目标缓存行？如果不是，自旋锁是否比 xchg 更好？

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不幸的是，C++ 缺少像 Rust 的

core::hint::spin_loop

这样的可移植函数，它将在 x86 上编译为

pause

指令，或在其他 ISA 上等效。

因此，只读循环将在具有超线程的 CPU 上浪费更多的执行资源（从其他逻辑核心窃取它们），但如果其他任何东西正在读取该行，则浪费更少的存储缓冲区条目和更少的核外流量。特别是如果你有多个线程自旋等待同一个锁，ping-ponging 缓存行！

如果你不介意

#ifdef __amd64__

/

#include <immintrin.h>

for

_mm_pause()

，那么你也可以拥有这个优势。