两种自旋锁实现效率对比：添加test()调用的影响分析

两种自旋锁实现的效率对比 #

带内层只读自旋（调用test(std::memory_order_relaxed)）的实现效率通常更高，核心原因在于：

• 反复调用test_and_set()属于原子写操作，会触发缓存一致性协议的总线事务（比如MESI协议中的RFO请求），频繁写操作会占用大量总线带宽，拉低其他核心的缓存命中率，整体性能损耗大。
• 内层用test()只读自旋时，仅读取原子变量状态，缓存未失效的情况下可直接从本地缓存读取，不会触发总线事务，能大幅减少总线竞争，降低对其他核心的干扰。

添加/移除lock.test(std::memory_order_relaxed)的影响 #

添加内层test()调用的情况 #

外层test_and_set()尝试获取锁失败后，进入内层低开销自旋：

• memory_order_relaxed内存序保证读取操作的原子性，但不参与内存同步，不会生成内存屏障，执行开销极低。
• 当锁被释放时，持有锁的核心执行clear(std::memory_order_release)会同步锁状态到全局内存，其他核心缓存会收到失效通知，此时内层自旋会检测到状态变化，退出内层循环后再尝试外层的test_and_set()。
• 对应汇编代码会生成“尝试获取锁+失败后低开销等待”的逻辑，有效减少总线竞争。

移除内层test()的情况 #

直接在外层循环反复调用test_and_set()：

• 每次循环都执行原子写操作，即便锁处于占用状态，也会持续发起总线事务，导致总线带宽被大量占用，其他核心的操作会被阻塞，整体性能明显下降。
• 对应汇编代码会反复执行带原子操作的指令，没有低开销的自旋等待逻辑。

代码示例 #

#include <atomic>

#define METHOD 1

int main( )
{
    std::atomic_flag lock { };

#if METHOD == 1
    while ( lock.test_and_set( std::memory_order_acquire ) )
    {
        while ( lock.test( std::memory_order_relaxed ) );
    }
#else
    while ( lock.test_and_set( std::memory_order_acquire ) );
#endif

    lock.clear( std::memory_order_release );
}

内容的提问来源于stack exchange，提问作者digito_evo