利用C++11原子量如何实现自旋锁详解

当多个线程需要访问某个公共资源时，为了避免数据竞争(Data Race)和死锁(Lock)，我们通常使用线程同步机制，其中自旋锁(SpinLock)就是其中一种。自旋锁是基于忙等待的一种锁，当一个线程在持有锁的时候，其他线程将会不停地“自旋”，也就是反复检查是否可以获得锁。在这种情况下，当前线程将会占用CPU时间片，从而耗费CPU的计算资源。

使用C++11原子量(Atoimc)来实现自旋锁有以下两个步骤：

第一步：定义原子变量和自旋锁

#include <atomic>

class SpinLock{
public:
    SpinLock():m_lock{false}{}
    void lock(){
        while(m_lock.exchange(true, std::memory_order_acquire));
    }
    void unlock(){
        m_lock.store(false, std::memory_order_release);
    }
private:
    std::atomic<bool> m_lock;
};

上述代码中，我们定义了一个SpinLock类，其中包含一个std::atomic类型的成员变量m_lock，作为锁的状态标记。此外，SpinLock类还包含两个函数，分别实现自旋锁的上锁和解锁操作。在上锁的时候，我们使用std::atomic<>的exchange函数，通过循环不断去修改锁的状态，直到成功获取锁为止。在解锁的时候，我们利用std::atomic<>的store函数将锁的状态标志设置为false，并用std::memory_order_release来保证对该操作的写入操作是一个释放动作。

第二步：利用自旋锁

在具体使用自旋锁的时候，我们只需要定义一个SpinLock对象，然后在需要互斥的临界区内使用该锁即可。例如，

#include <iostream>
#include <thread>

SpinLock spinlock;

void task(){
    spinlock.lock();
    std::cout << "thread id = " << std::this_thread::get_id() << " is running" << std::endl;
    spinlock.unlock();
}

int main(int argc, char**argv){
    std::thread t1{task};
    std::thread t2{task};
    t1.join();
    t2.join();
    return 0;
}

在上述代码中，我们在task函数的开始和结束分别添加了lock和unlock函数，用于限制对std::cout的访问。在main函数中，我们创建了两个线程t1和t2，并让它们同时执行task函数，最后使用std::thread::join函数等待所有线程退出。运行上述代码，结果如下：

thread id = 140605100521472 is running
thread id = 140605092128768 is running

由于我们使用了自旋锁，t1和t2线程可以顺序执行，没有出现任何数据竞争的问题。