# POSIX 自旋锁

自旋锁是为实现保护共享资源而提出一种轻量级的锁机制。其实，自旋锁与互斥锁比较类似，它们都是为了解决对共享资源的互斥访问。

无论是互斥锁，还是自旋锁，在任何时刻，最多只能有一个拥有者，也就说，在任何时刻最多只能有一个线程获得锁。但是两者在调度机制上有很大的不同。对于互斥锁，如果互斥锁已经被占有，申请者只能进入睡眠状态。但是自旋锁不会引起申请者睡眠，如果自旋锁已经被别的线程占有，申请者就一直在那里循环判断该自旋锁的拥有者是否已经释放该锁，“自旋”一词就是因此而得名。

由此我们可以看出，自旋锁是一种比较低级的保护数据结构或代码片段的原始方式，这种锁机制可能存在以下两个问题：

• 死锁：申请者试图递归地获得自旋锁必然会引发死锁。
• 消耗过多 CPU 资源 ：如果申请不成功，申请者将一直循环判断，这无疑降低了 CPU 的使用率。

由此可见，自旋锁适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况。信号量适用于保持锁时间较长的情况。

需要注意的是，被自旋锁保护的临界区代码执行时不能因为任何原因放弃 CPU，因此，在自旋锁保护的区域内不能调用任何可能引发系统任务调度的 API。

POSIX 自旋锁的类型为 pthread_spinlock_t。使用时定义一个 pthread_spinlock_t 类型的变量，如：

pthread_spinlock_t spin;

一个 POSIX 自旋锁必须要调用 pthread_spin_init 函数初始化之后才能使用。

线程如果需要等待一个自旋锁，可以调用 pthread_spin_lock 函数，中断服务程序不可以调用任何 POSIX 自旋锁 API。释放一个自旋锁可以调用 pthread_spin_unlock 函数。

当一个自旋锁使用完毕后（并确保以后也不再使用），应该调用 pthread_spin_destroy 函数将其删除，SylixOS 会回收该自旋锁占用的内核资源。

# 自旋锁

1. 自旋锁的初始化和删除

   #include <pthread.h>
   int    pthread_spin_init(pthread_spinlock_t  *pspinlock, int  pshare);
   

   函数 pthread_spin_init 原型分析：

   • 此函数成功时返回 0，失败时返回错误号。
   • 参数 pspinlock 是 POSIX 自旋锁的指针。
   • 参数 pshare 标识了 POSIX 自旋锁是否进程共享。

   #include <pthread.h>
   int    pthread_spin_destroy(pthread_spinlock_t  *pspinlock);
   

   函数 pthread_spin_destroy 原型分析：

   • 此函数成功时返回 0，失败时返回错误号。
   • 参数 pspinlock 是 POSIX 自旋锁的指针。

2. 自旋锁的加锁与解锁

   #include <pthread.h>
   int    pthread_spin_lock(pthread_spinlock_t  *pspinlock);
   int    pthread_spin_unlock(pthread_spinlock_t  *pspinlock);
   int    pthread_spin_trylock(pthread_spinlock_t  *pspinlock);
   

   以上函数原型分析：

   • 函数成功时返回 0，失败时返回错误号。
   • 参数 pspinlock 是 POSIX 自旋锁的指针。

   pthread_spin_trylock 是 pthread_spin_lock 的“尝试等待”版本，在 POSIX 自旋锁已经被占有时，pthread_spin_lock 将“自旋”，而 pthread_spin_trylock 将立即返回。

   这时，POSIX 自旋锁的解锁操作只能调用 pthread_spin_unlock 函数。

   如果中断服务程序也可能使用 POSIX 自旋锁保护的资源，应该使用带中断屏蔽版本的 POSIX 自旋锁 API，否则会发生死锁：

   #include <pthread.h>
   int    pthread_spin_lock_irq_np(pthread_spinlock_t  *pspinlock, 
                                   pthread_int_t       *irqctx);
   int    pthread_spin_unlock_irq_np(pthread_spinlock_t  *pspinlock, 
                                     pthread_int_t        irqctx);
   int    pthread_spin_trylock_irq_np(pthread_spinlock_t  *pspinlock, 
                                      pthread_int_t       *irqctx);
   

   以上几个函数原型分析：

   • 函数成功时返回 0，失败时返回错误号。
   • 参数 pspinlock 是 POSIX 自旋锁的指针。
   • 参数 irqctx 是 pthread_int_t 类型的指针，用于保存和恢复 CPU 的中断屏蔽寄存器。

   pthread_spin_trylock_irq_np 是 pthread_spin_lock_irq_np 的“尝试等待”版本，在 POSIX 自旋锁已经被占有时，pthread_spin_lock_irq_np 将“自旋”，而 pthread_spin_trylock_irq_np 将立即返回。

   这时，POSIX 自旋锁的解锁操作只能调用 pthread_spin_unlock_irq_np 函数。

   下面程序展示了 POSIX 自旋锁的使用，程序创建两个线程和一个 POSIX 自旋锁，两个线程分别对变量 count 进行打印和自增操作，使用 POSIX 自旋锁作为访问变量 count 的互斥手段。

   #include <stdio.h>
   #include <pthread.h>
   
   static pthread_spinlock_t    lock;
   static int                   count = 0;
   
   static void *thread_a (void *arg)
   {
       int value;
   
       while (1) {
           pthread_spin_lock(&lock);
           value = count;
           pthread_spin_unlock(&lock);
           printf("thread_a(): count = %d\n", value);
           sleep(1);
       }
       return  (NULL);
   }
   
   static void *thread_b (void *arg)
   {
       while (1) {
           pthread_spin_lock(&lock);
           count++;
           pthread_spin_unlock(&lock);
           sleep(1);
       }
       return  (NULL);
   }
   
   int main (int argc, char *argv[])
   {
       pthread_t       threada_tid;
       pthread_t       threadb_tid;
       int             ret;
   
       ret = pthread_spin_init(&lock, FALSE);
       if (ret != 0) {
           fprintf(stderr, "mutex create failed.\n");
           return  (-1);
       }
       ret = pthread_create(&threada_tid, NULL, thread_a, NULL);
       if (ret != 0) {
           fprintf(stderr, "pthread create failed.\n");
           return  (-1);
       }
       ret = pthread_create(&threadb_tid, NULL, thread_b, NULL);
       if (ret != 0) {
           fprintf(stderr, "pthread create failed.\n");
           return  (-1);
       }
       pthread_join(threada_tid, NULL);
       pthread_join(threadb_tid, NULL);
       pthread_spin_destroy(&lock);
   
       return  (0);
   }
   

   在 SylixOS Shell 下运行程序：

   # ./POSIX_Spinlock
   thread_a(): count = 0
   thread_a(): count = 1
   thread_a(): count = 2
   thread_a(): count = 3
   thread_a(): count = 4
   thread_a(): count = 5
   thread_a(): count = 6
   ......
   # ts
             NAME     TID    PID  PRI STAT LOCK SAFE    DELAY   PAGEFAILS FPU CPU
   ---------------- ------- ----- --- ---- ---- ---- ---------- --------- --- ---
   POSIX_Spinlock   401008f    44 200 JOIN    0               0         1 USE   0
   pthread          4010090    44 200 SLP     0             626         0       0
   pthread          4010091    44 200 SLP     0             626         0       0