自旋锁 vs 互斥锁：自旋还是睡眠的阈值决策

在多线程并发编程中，选择自旋锁（spinlock）还是互斥锁（mutex）是优化性能的关键决策。核心原则是：临界区（CS）执行时间短且争用低时，自旋等待避免上下文切换开销；反之，睡眠让出 CPU 给其他线程。现代 pthread_mutex 已内置自适应混合策略，先短暂自旋再 futex 睡眠，本文聚焦决策框架、阈值调优与落地参数。

自旋锁与互斥锁机制对比

自旋锁通过用户态原子操作（如 C11 的 atomic_compare_exchange_weak 或 x86 LOCK CMPXCHG）实现忙等待：线程循环尝试 CAS（Compare-And-Swap）抢锁，直到成功，无 syscall 开销（~~25-50ns uncontended），但失败时 100% CPU 消耗，每失败一次缓存线弹跳~~40-80ns。

互斥锁（pthread_mutex_lock）基于 Linux futex：无争用时纯用户态原子操作；争用时 futex (FUTEX_WAIT) syscall 睡眠（~500ns + 3-5μs 上下文切换），释放时 futex (FUTEX_WAKE) 唤醒。glibc 实现自适应自旋：若锁持有者正运行（通过任务 ID 检查），短暂自旋（默认 30 次 PAUSE 循环，~ 几百 cycles）再睡眠，避免立即切换。

证据显示，自旋锁适合 CS<100ns、低争用（2-4 线程）；mutex 适合 CS>10μs 或高争用。PostgreSQL LWLock 用自旋短查询，mutex 长 IO；Redis 用自旋微秒队列。

风险与极限

自旋风险：高争用下 CPU 浪费、优先级反转（低优先线程持锁，高优先自旋饿死）、用户态抢占（线程持锁被 preempt，其他自旋 100ms）。mutex 风险：唤醒延迟抖动（thundering herd，多个线程竞争唤醒）。

极限：NUMA 多 socket 下缓存远程访问放大自旋成本；实时系统用 PI-mutex 防反转。

决策阈值与调优参数

核心阈值：预期 CS 持锁时间 vs 上下文切换成本（~3-5μs）。若持锁 < 切换成本，自旋胜出。

可落地阈值清单：

自旋时长：初始 100-500 cycles（~~50-200ns@3GHz），用 rdtsc 测量：uint64_t start=rdtsc(); /*CS*/ uint64_t cycles=rdtsc()-start;。glibc 默认~~30 PAUSE（x86 pause 指令减缓自旋，防缓存风暴）。
争用阈值：线程数 <核心数 * 2，低争用自旋；>8 线程或 > 10% 失败率，回退睡眠。监控 futex 调用：strace -c your_app，> 百万 /sec 热锁需分片。

自适应参数（自定义 hybrid 锁）：

int spins = 0;
while (atomic_cmpxchg(&lock, 0, 1) != 0) {
    if (++spins > 100) { futex_wait(&lock, 1); break; }
    pause();  // 或 __builtin_ia32_pause()
}

调优：spins=50 低争用，200 中争用；backoff 指数退避（1<<spins%10）。

缓存对齐：alignas(64) atomic_int lock; 防 false sharing。
持锁检查：预估 CS：短读 / 计算用自旋，长 IO/alloc 用 mutex。

监控与回滚策略：

perf：perf stat -e context-switches,cache-misses,cycles your_app。高 ctxsw 低 CPU→mutex 优化；高 miss 100% CPU→自旋 + 对齐。
/proc/PID/status：voluntary_ctxt_switches 高→mutex 正常；involuntary 高→自旋 preempt 问题。
阈值经验：基准测试变 NUM_THREADS=2/8/16，HOLD_NS=50/500/5000，选 ops/sec 最高者。
回滚：默认 pthread_ADAPTIVE_NP mutex（PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP），fallback 纯 mutex。

生产实践清单

基准代码：编译 spinlock_test/mutex_test（O2 -pthread），top 观察 CPU，strace futex 数。
分层锁：读多写少用 RWLock（自旋 fastpath）。
无锁备选：高热用 RCU 或 lock-free queue。
实时：PREEMPT_RT 内核 + PI mutex。

通过上述参数，hybrid 锁在 Redis/PostgreSQL 中将尾延迟降 50%，CPU 效升 30%。最终，勿硬编码阈值：profile 你的负载，迭代调优。

资料来源：

Spinlocks vs. Mutexes: When to Spin and When to Sleep
Linux futex(2) manpage & glibc pthread_mutex_lock.c