c++怎么用std::atomic_flag实现一个自旋锁_C++无锁编程与原子操作实践

自旋锁是一种线程持续循环等待锁释放的同步机制，适用于短临界区；通过std::atomic_flag的test_and_set与clear操作可实现无锁自旋锁，配合memory_order_acquire/release保证内存可见性，使用时需避免重入并考虑yield降低CPU占用。

在C++中，std::atomic_flag 是最轻量级的原子类型，它只支持两个操作：test_and_set() 和 clear()。由于它天生保证无锁（lock-free），非常适合用来实现一个简单的自旋锁（spinlock）。

什么是自旋锁？

自旋锁是一种同步机制，当一个线程尝试获取已被占用的锁时，它不会进入睡眠状态，而是持续循环检查（“自旋”），直到锁被释放。适用于临界区很短、竞争不激烈的场景。

使用 std::atomic_flag 实现自旋锁

std::atomic_flag 初始状态为 clear（false），调用 test_and_set 会原子地将其设为 true 并返回旧值。我们可以利用这个特性构建一个不可重入的自旋锁。

#include <atomic>
#include <thread>
#include <iostream>

class spinlock {
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT; // 初始化为 false

public:
    void lock() {
        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
            // 自旋等待
            // 可加入 std::this_thread::yield() 减少CPU占用
        }
    }

    void unlock() {
        flag.clear(std::memory_order_release);
    }
};

关键点说明

• ATOMIC_FLAG_INIT：确保 atomic_flag 初始化为清除状态（未加锁）。
• test_and_set()：原子操作，若标志为 false，则设为 true 并返回 false（表示获取成功）；否则返回 true（需继续等待）。
• memory_order_acquire：用于 lock，保证后续内存访问不会被重排到此操作之前。
• memory_order_release：用于 unlock，保证此前的内存写入对其他获取该锁的线程可见。

使用示例

下面展示如何在多线程环境中使用这个自旋锁保护共享资源：

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spinlock mtx;
int shared_data = 0;

void worker() {
    for (int i = 0; i < 1000; ++i) {
        mtx.lock();
        ++shared_data;  // 临界区
        mtx.unlock();
    }
}

int main() {
    std::thread t1(worker);
    std::thread t2(worker);

    t1.join();
    t2.join();

    std::cout << "shared_data: " << shared_data << '\n';
    return 0;
}

注意事项与优化建议

• 自旋锁会持续占用CPU，长时间持有或高竞争下性能较差，应避免在临界区做耗时操作。
• 可考虑在自旋循环中加入 std::this_thread::yield()，提示调度器让出时间片，减少资源浪费：

while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
    std::this_thread::yield(); // 提高系统响应性
}

• 该锁不可重入：同一线程重复调用 lock() 会导致死锁。
• 适用于低竞争、短临界区场景，如无锁数据结构中的小段同步。

基本上就这些。std::atomic_flag 提供了最基础但高效的原子操作支持，是实现自旋锁的理想选择。虽然功能简单，但在正确的场景下非常有用。不复杂但容易忽略细节，比如内存序和 yield 的使用。

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