В каких ситуациях предпочтительнее использовать Spinlock вместо Mutex, и почему?

Основное различие между Spinlock и Mutex заключается в том, как поток ожидает освобождения ресурса:

• Spinlock: Поток активно ожидает в цикле (spin), постоянно проверяя, свободен ли замок. Это называется busy-waiting и интенсивно использует CPU.
• Mutex: Поток, не сумев захватить мьютекс, обращается к планировщику ОС, чтобы тот перевел его в состояние сна. Поток "просыпается", когда мьютекс освобождается. Это позволяет CPU выполнять другую работу.

Spinlock предпочтительнее Mutex в очень специфических условиях.

Когда стоит использовать Spinlock:

Ключевое правило: когда ожидаемое время блокировки значительно меньше, чем время на переключение контекста потока.

1. 
   

   Очень короткие критические секции: Если операция, защищенная блокировкой, занимает всего несколько машинных инструкций, то затраты на усыпление и пробуждение потока (переключение контекста) могут быть выше, чем затраты на "пустое" ожидание в цикле.

   
   
2. 
   

   Низкоуровневое программирование (ядро ОС, драйверы): В некоторых контекстах, например, в обработчиках прерываний, поток не может быть переведен в спящий режим. В таких случаях Spinlock — единственный вариант.

   
   
3. 
   

   Многоядерные системы с низкой конкуренцией: На многоядерном процессоре ожидающий поток может выполняться на одном ядре, не мешая другому ядру, которое владеет блокировкой, быстро завершить свою работу.

   
   

Когда НЕ стоит использовать Spinlock:

1. Длительные критические секции: Если операция под замком может занять много времени (например, ввод-вывод), Spinlock будет впустую сжигать ресурсы CPU.
2. Одноядерные системы: Использование Spinlock на одноядерной системе — это катастрофа. Если поток захватил замок и был вытеснен планировщиком, ожидающий поток будет бесконечно крутиться в цикле, не давая первому потоку шанса выполниться и освободить замок (если нет вытесняющей многозадачности).

Пример реализации в Go:

В стандартной библиотеке Go нет готового Spinlock, так как в большинстве прикладных задач sync.Mutex является лучшим выбором. Однако его можно реализовать с помощью пакета sync/atomic.

import (
    "sync/atomic"
    "runtime"
)

// Простейшая реализация Spinlock
type spinlock uint32

func (sl *spinlock) Lock() {
    for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
        // Активное ожидание (busy-wait).
        // runtime.Gosched() можно добавить, чтобы дать шанс
        // выполниться другим горутинам, но это размывает
        // идею чистого спинлока.
        runtime.Gosched()
    }
}

func (sl *spinlock) Unlock() {
    atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
}

Вывод: В подавляющем большинстве случаев для прикладного программирования в Go следует использовать sync.Mutex. Он отлично оптимизирован и в современных версиях Go сам может применять spinning на короткое время перед тем, как "уснуть", сочетая лучшее из обоих миров.