并发一定要处理同步（synchronization）这个问题，而很多同步问题，都要靠锁来解决，所以锁的策略（锁什么、怎么锁）和锁是否高效（用什么锁）会很大程度上影响并发的能力。

自旋锁解决的问题

比较常见的锁是 mutex，如果在尝试获取资源的时候，发现锁已经被占用，线程会 sleep，让其他线程执行，等锁被释放后，才有可能继续执行。

所以，当 mutex 拿不到锁的时候，线程会 sleep，之后被 wakeup，而这些都是相对比较耗时操作。

想要避免这些的话，可以使用自旋锁 (spinlock)。

自旋锁 (spinlock) 的思路是，如果锁被锁住，就让 CPU 空转一段时间，等待锁的释放。以此来避免线程切换。

自旋的实现

在实现上，会使用一个变量表示资源是否被占用，如果这个变量是 0，表示锁是开着的，1 表示被锁了。

使用 compare_and_set 获取并设置这个变量，compare_and_set 有三个参数，变量，预期的值，要设置的值。

如果设置的时候，预期的值和变量的实际值不一样，设置变量会失败，返回 false。compare_and_set 一般会由硬件保证原子性。

如果锁是锁住的，自旋锁就会忙等 (busy wait) 一段时间，再次尝试获得锁。

自旋锁除了可以更快速获取资源外，还可以保持当前线程一直处在执行状态。

比如 Erlang scheduler 没有任务的时候，会调用 spinlock 忙等，避免 scheduler 的线程被挂起，从而获得更好的并发性能。

自旋锁一般适用于资源很快被释放的情况，因为 CPU 在等待过程中，一直在空转。如果一个资源会被占用很长时间，使用自旋锁明显比较浪费资源，这个时候 mutex 是更好的选择。

如果很多个线程同时竞争一个锁，冲突的可能就会变大，则可以使用指数退避算法来避免这个问题。

nginx 的实现

下面来看一下 nginx 的实现（去掉了一些不相关的代码）。

void
ngx_spinlock(ngx_atomic_t *lock, ngx_atomic_int_t value, ngx_uint_t spin)
{
    ngx_uint_t  i, n;

    for ( ;; ) {
        if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
            return;
        }

        if (ngx_ncpu > 1) {
            for (n = 1; n < spin; n <<= 1) {

                for (i = 0; i < n; i++) {
                    ngx_cpu_pause();
                }

                if (*lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(lock, 0, value)) {
                    return;
                }
            }
        }

        ngx_sched_yield();
    }

}

首先，如果只有一个 CPU core 的话，直接调研 ngx_sched_yield，ngx_sched_yield 会调用 sched_yield 让出 CPU。也就是说单核 CPU 完全不需要自旋锁（这个应该就不需要解释了）。

之后 n 会随指数增长 n <<= 1，每次循环都会调用 ngx_cpu_pause，循环执行完之后，会调用 ngx_atomic_cmp_set 尝试获取锁。

ngx_cpu_pause 的实现是，如果 CPU 支持 pause 指令的话，会调用 pause 指令，如果不支持的话会使用 nop。

nginx 里使用情况

ngx_spinlock(&ngx_thread_pool_done_lock, 1, 2048);

*ngx_thread_pool_done.last = task;
ngx_thread_pool_done.last = &task->next;

ngx_memory_barrier();

ngx_unlock(&ngx_thread_pool_done_lock);

其他

关于锁还有很多有趣的问题可以研究，比如 pthread mutex 为了性能，其实是会 user mode spin 一段时间的。所以多数的情况下，使用 mutex 是更合适的。 再比如 mutex 和 spinlock 的性能对比。再比如 queuing lock 可以更进一步优化新能。本文主要简单介绍自旋锁以及其一种实现，所以并不展开过多话题。

链接

• When should one use a spinlock instead of mutex?
• pause
• sched_yield