如何使用c++的std::atomic实现一个自旋锁(spinlock)？ (低延迟同步)

尼克

发布时间：2026-01-12 01:57:08

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原创

std::atomic 是最简自旋锁的底层支撑，可直接实现基础自旋锁，核心是利用 exchange(true, memory_order_acquire) 的原子性；它不依赖系统调度、避免上下文切换，适合短临界区和极短等待场景。

如何使用c++的std::atomic实现一个自旋锁(spinlock)？ (低延迟同步)

std::atomic 是最简自旋锁的底层支撑

直接用 std::atomic 实现基础自旋锁是可行且常见的，核心在于利用其 test_and_set()（即 exchange(true, std::memory_order_acquire)）的原子性。它不依赖操作系统调度，避免上下文切换开销，适合短临界区、高争用但等待时间极短的场景。

注意：不能用 std::atomic_flag 以外的类型做“无锁”保证——std::atomic 在所有主流平台（x86-64、ARM64）上都映射为单条 lock xchg 或 ldaxr/stlxr 指令，满足自旋锁对原子写+读-修改-写的最低要求。

常见错误是误用 load() + store() 组合替代原子交换：

bool expected = false;
while (!flag.compare_exchange_weak(expected, true, std::memory_order_acquire)) {
    expected = false; // 必须重置，否则 compare_exchange_weak 可能因 ABA 失败后卡住
    _mm_pause();      // 推荐：x86 上提示 CPU 当前在忙等，降低功耗和总线争用
}

memory_order 选错会导致数据竞争或性能反模式

自旋锁的内存序不是“越强越好”。关键点在于：

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加锁用 std::memory_order_acquire：确保后续临界区读写不会被重排到锁获取之前
解锁用 std::memory_order_release：确保临界区内的写操作对其他线程可见
绝对不要在加锁时用 relaxed —— 会导致临界区指令重排进锁外，破坏同步语义
也不要用 seq_cst —— 在 ARM/PowerPC 上会插入昂贵的全局内存屏障，x86 虽便宜但仍是冗余

典型错误现象：临界区内更新的 int counter 值在其他线程中“偶尔看不到”，其实是编译器或 CPU 将该写操作重排到了 unlock() 之后。

std::atomic_flag 是更轻量、更标准的起点

std::atomic_flag 是 C++ 标准唯一保证“无锁”（lock-free）的原子类型，初始化必须用 ATOMIC_FLAG_INIT（C++17 起可直接用默认构造，但需调用 .clear(std::memory_order_relaxed) 初始化）。

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它只提供 test_and_set() 和 clear()，语义清晰、体积最小（通常 1 字节），比 std::atomic 更贴近硬件原语：

struct spinlock {
    std::atomic_flag flag = ATOMIC_FLAG_INIT;

    void lock() {
        while (flag.test_and_set(std::memory_order_acquire)) {
            _mm_pause();
        }
    }

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

使用 std::atomic_flag 的另一个好处是：编译器能更好识别这是自旋行为，某些优化（如循环展开）会被抑制，避免生成低效代码。