自旋鎖(Spinlock)
信號量(Semaphore)：
1. 自旋鎖與信號量簡介
自旋是鎖的一種實現方式，通過忙等待（“自旋，spinning”）來實現【例如通過while循環持續請求獲取鎖】。
信號量的概念比鎖的範圍更大, 可以說, 鎖是信號量的一種特殊情況。
一般來說，自旋鎖只在進程內有效，而信號量可同於控制多個進程之間的同步。
鎖主要用於互斥操作，也就是說，每次只允許一個線程持有這個鎖（的鑰匙）並繼續執行代碼的“關鍵部分（critical section）”。
關鍵部分是指可以由多個線程執行的, 修改共享數據的那部分代碼。
信號量有一個計數器(counter)，同一時刻最多允許被N個線程獲取，具體是多少線程則取決於設置的值， 在某些實現中這個值就是允許的最大值。
從這點來看，可以認爲鎖是信號量的一種特殊情況，即信號量計數器最大值爲1的情形。
2. 常規情況下的行爲
如上所述，自旋鎖是一種鎖，也就是一種互斥機制。
實現原理是重複嘗試 “查詢並修改內存位置”, 一般來說這種 “查詢並修改” 是原子操作。
通過自旋來獲取鎖, 是一致“忙碌”的操作，可能長時間（甚至永遠！）佔用CPU，實際上卻什麼有效工作都沒做。
使用自旋的原因在於:
- 上下文切換的開銷，相當於上千次循環操作的開銷，如果可以通過浪費少量的CPU週期來獲得鎖，則總體來說更划算。
- 另外，實時計算程序明顯是不能接受阻塞和喚醒的, 而且這種喚醒還是在不確定的時間才輪到調度程序來通知。
相比之下，信號量可以不需要進行旋轉，或者僅旋轉很短的時間（作爲一種避免系統調用的優化）。
如果無法獲取信號量，則線程會阻塞，從而將CPU時間讓給其他準備運行的線程。
當然，這可能意味着在重新安排線程前要經過幾毫秒，如果這不是問題， 那麼它的效率可能更高，這是一種節省CPU資源的實現方法。
3. 在競爭激烈時的行爲
常見的誤解是自旋鎖或無鎖算法的“速度會更快”，或者誤以爲他們僅對“非常短的任務”有用。
比如, 理想情況下，沒有哪個同步對象鎖的保留時間超過必要的時間。
在競爭激烈的情況下, 自旋鎖和信號量實現的行爲差異很大。
設計良好的系統一般很少阻塞，或者沒有阻塞。也就是說不應該發生所有線程都在同一時間爭搶鎖資源的情況。
比如我們一般都不會編寫這樣的代碼： 先獲取鎖之後，再從網上下載很大的zip壓縮文件，接着轉碼解析，再去修改共享資源（比如將數據加到列表/Map中），最後才釋放鎖。
應該採用的策略是：只在訪問共享資源時，纔去獲取鎖。
在關鍵部分外面的工作量，要比關鍵部分內部的工作量要大，才比較合理。
自然，一個線程處於關鍵部分的執行時間要非常短， 這樣的話也就很少發生多個線程同時爭用鎖的情況。
當然，偶爾也會有多個線程同時嘗試獲取鎖（假如沒有這種情況的話，那就不需要鎖了！）；在“健康”的系統中這是很少發生的情景。
在沒有激烈鎖爭用的情況下，自旋鎖的性能要大大優於信號量； 因爲沒有鎖擁塞，獲取自旋鎖的開銷僅爲幾十個CPU週期， 而上下文切換的開銷則至少幾百/上千個時鐘週期，而且操作系統的時間片切換週期還有可能會丟棄幾千萬個時鐘週期。
如果擁塞程度很高，或者鎖會被長時間持有（有時候真的沒辦法！），在這種場景下，使用自旋鎖則會消耗大量的CPU時間，卻什麼活都沒幹。
這時候使用信號量（或互斥鎖）是一種更好的解決辦法，因爲沒有搶佔CPU，其他線程在這段時間內就可以有效運行。
如果沒有需要使用CPU的線程，則操作系統會降低CPU的速度，以減少熱量並節約電費。
在單核CPU的系統上，自旋鎖在鎖擁塞的情況下效率會更低，因爲自旋的線程會將所有時間都浪費在等待狀態改變。 除非另一個線程被調度，執行完關鍵部分並釋放鎖之後，這個線程的情況纔可能會改變。
因此，在有爭用的場景中，通過信號量獲取鎖， 最好的情況大約需要1~2個時間片（假設釋放鎖的線程恰好在下一個時間片被調度），但這種情況並不理想。
4. 自旋鎖與信號量的實現方式
在Linux系統中, 信號量實現通常會用到 sys_futex（可選帶有自旋鎖，在嘗試一定次數後退出）。
自旋鎖通常使用原子操作來實現， 而不使用操作系統提供的系統函數。
以前的實現需要使用編譯器內部函數或者不可移植的彙編指令。
而在 C++11 和 C11 中，都將原子操作作爲語言的一部分。
因此，現在實現可移植的無鎖代碼已經很方便了。 當然，編寫可證明其正確性的代碼還是有一點難度的。
線程切換的代價
Linux 時間片默認0.75~6ms; Win XP大約10-15ms左右； 可能高可能低，但量級在ms級。 假設CPU是2GHZ，則每時間片大約對應2M個時鐘週期。
JDK的信號量實現是經過優化的，實際上先進行了一定量的自旋操作。 好處是充分利用了操作系統分配給當前線程的時間片，否則這個時間片就被浪費了。
如果進行多個線程的 synchronized 和 wait-notify 切換測試，會發現程序的性能基本上不受時間片週期的影響。
Stackoverflow上的問題鏈接: https://stackoverflow.com/questions/195853/spinlock-versus-semaphore
