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  • spinlock

    2015-02-21 23:20:20
    关于spinlock的一点自己的理解,spinlock是用于系统忙等待,一般用于现在多核之间的lock,spinlock会lock bus总线,防止其他处理器接入。 下面是我转载的一片文章,写的非常好 1, spinlock介绍 ...

    关于spinlock的一点自己的理解,spinlock是用于系统忙等待,一般用于现在多核之间的lock,spinlock会lock bus总线,防止其他处理器接入。

    下面是我转载的一片文章,写的非常好



    1, spinlock介绍

    spinlock又称自旋锁,线程通过busy-wait-loop的方式来获取锁,任何时刻时刻只有一个线程能够获得锁,其他线程忙等待直到获得锁。spinlock在多处理器多线程环境的场景中有很广泛的使用,一般要求使用spinlock的临界区尽量简短,这样获取的锁可以尽快释放,以满足其他忙等的线程。Spinlock和mutex不同,spinlock不会导致线程的状态切换(用户态->内核态),但是spinlock使用不当(如临界区执行时间过长)会导致cpu busy飙高。

    2, spinlock与mutex对比

    2.1,优缺点比较

    spinlock不会使线程状态发生切换,mutex在获取不到锁的时候会选择sleep

    mutex获取锁分为两阶段,第一阶段在用户态采用spinlock锁总线的方式获取一次锁,如果成功立即返回;否则进入第二阶段,调用系统的futex锁去sleep,当锁可用后被唤醒,继续竞争锁。

    Spinlock优点:没有昂贵的系统调用,一直处于用户态,执行速度快

    Spinlock缺点:一直占用cpu,而且在执行过程中还会锁bus总线,锁总线时其他处理器不能使用总线

    Mutex优点:不会忙等,得不到锁会sleep

    Mutex缺点:sleep时会陷入到内核态,需要昂贵的系统调用

    2.2,使用准则

    Spinlock使用准则:临界区尽量简短,控制在100行代码以内,不要有显式或者隐式的系统调用,调用的函数也尽量简短。例如,不要在临界区中调用read,write,open等会产生系统调用的函数,也不要去sleep;strcpy,memcpy等函数慎用,依赖于数据的大小。

    3, spinlock系统实现

    spinlock的实现方式有多种,但是思想都是差不多的,现罗列一下:

    3.1,glibc-2.9中的实现方法:

    执行过程:

    1,lock_prefix 即 lock。lock decl %0,锁总线将%0(即lock变量)减一。Lock可以保证接下来一条指令的原子性

    2, 如果lock=1,decl的执行结果为lock=0,ZF标志位为1,直接跳到return 0;否则跳到标签2。也许要问,为啥能直接跳到return 0呢?因为subsection和previous之间的代码被编译到别的段中,因此jne之后紧接着的代码就是 return 0 (leaveq;retq)。Rep nop在经过编译器编译之后被编译成 pause。

    3, 如果跳到标签2,说明获取锁不成功,循环等待lock重新变成1,如果lock为1跳到标签1重新竞争锁。

    该实现采用的是AT&T的汇编语法,更详细的执行流程解释可以参考“五竹”大牛的文档

    3.2,系统自带(glibc-2.3.4)spinlock反汇编代码:

    系统环境:

    2.6.9-89.ELsmp #1 SMP  x86_64 x86_64 x86_64 GNU/Linux

    (gdb) disas pthread_spin_lock

    Dump of assembler code for function pthread_spin_lock:

    //eax寄存器清零,做返回值

    0x0000003056a092f0 <pthread_spin_lock+0>:       xor    %eax,%eax

    //rdi存的是lock锁地址,原子减一

    0x0000003056a092f2 <pthread_spin_lock+2>:       lock decl (%rdi)

    //杯了个催的,加锁不成功,跳转,开始busy wait

    0x0000003056a092f5 <pthread_spin_lock+5>:       jne    0x3056a09300 <pthread_spin_lock+16>

    //终于夹上了…加锁成功,返回

    0x0000003056a092f7 <pthread_spin_lock+7>:       retq

    ……………………………………….省略若干nop……………………………………….

    0x0000003056a092ff <pthread_spin_lock+15>:      nop

    //pause指令降低CPU功耗

    0x0000003056a09300 <pthread_spin_lock+16>:      pause

    //检查锁是否可用

    0x0000003056a09302 <pthread_spin_lock+18>:      cmpl   $0×0,(%rdi)

    //回跳,重新锁总线获取锁

    0x0000003056a09305 <pthread_spin_lock+21>:      jg     0x3056a092f2 <pthread_spin_lock+2>

    //长夜漫漫,爱上一个不回家的人,继续等~

    0x0000003056a09307 <pthread_spin_lock+23>:      jmp    0x3056a09300 <pthread_spin_lock+16>

    0x0000003056a09309 <pthread_spin_lock+25>:      nop

    ……………………………………….省略若干nop……………………………………….

    End of assembler dump.

    Glibc的汇编代码还是很简洁的,没有多余的代码。

    4, Pause指令解释(from intel):

    Description

    Improves the performance of spin-wait loops. When executing a “spin-wait loop,” a Pentium 4 or Intel Xeon processor suffers a severe performance penalty when exiting the loop because it detects a possible memory order violation. The PAUSE instruction provides a hint to the processor that the code sequence is a spin-wait loop. The processor uses this hint to avoid the memory order violation in most situations, which greatly improves processor performance. For this reason, it is recommended that a PAUSE instruction be placed in all spin-wait loops.

    提升spin-wait-loop的性能,当执行spin-wait循环的时候,笨死和小强处理器会因为在退出循环的时候检测到memory order violation而导致严重的性能损失,pause指令就相当于提示处理器哥目前处于spin-wait中。在绝大多数情况下,处理器根据这个提示来避免violation,藉此大幅提高性能,由于这个原因,我们建议在spin-wait中加上一个pause指令。

    名词解释(以下为本人猜想):memory order violation,直译为-内存访问顺序冲突,当处理器在(out of order)乱序执行的流水线上去内存load某个内存地址的值(此处是lock)的时候,发现这个值正在被store,而且store本身就在load之前,对于处理器来说,这就是一个hazard,流水流不起来。

    在本文中,具体是指当一个获得锁的工作线程W从临界区退出,在调用unlock释放锁的时候,有若干个等待线程S都在自旋检测锁是否可用,此时W线程会产生一个store指令,若干个S线程会产生很多load指令,在store之后的load指令要等待store在流水线上执行完毕才能执行,由于处理器是乱序执行,在没有store指令之前,处理器对多个没有依赖的load是可以随机乱序执行的,当有了store指令之后,需要reorder重新排序执行,此时会严重影响处理器性能,按照intel的说法,会带来25倍的性能损失。Pause指令的作用就是减少并行load的数量,从而减少reorder时所耗时间。

    An additional function of the PAUSE instruction is to reduce the power consumed by a Pentium 4 processor while executing a spin loop. The Pentium 4 processor can execute a spin-wait loop extremely quickly, causing the processor to consume a lot of power while it waits for the resource it is spinning on to become available. Inserting a pause instruction in a spin-wait loop greatly reduces the processor’s power consumption.

    Pause指令还有一个附加所用是减少笨死处理器在执行spin loop时的耗电量。当笨死探测锁是否可用时,笨死以飞快的速度执行spin-wait loop,导致消耗大量电量。在spin-wait loop中插入一条pause指令会显著减少处理器耗电量。

    This instruction was introduced in the Pentium 4 processors, but is backward compat­ible with all IA-32 processors. In earlier IA-32 processors, the PAUSE instruction operates like a NOP instruction. The Pentium 4 and Intel Xeon processors implement the PAUSE instruction as a pre-defined delay. The delay is finite and can be zero for some processors. This instruction does not change the architectural state of the processor (that is, it performs essentially a delaying no-op operation).

    该指令在笨死中被引入,但是向后兼容所有IA-32处理器,在早期的IA-32处理器中,pause指令以nop的方式来运行,笨死和小强以一个预定义delay的方式来实现pause,该延迟是有限的,在某些处理器上可能是0,pause指令并不改变处理器的架构(位?)状态(也就是说,它是一个延迟执行的nop指令)。至于Pause指令的延迟有多大,intel并没有给出具体数值,但是据某篇文章给出的测试结果,大概有38~40个clock左右(官方数字:nop延迟是1个clock),一下子延迟40个clock,intel也够狠的。

    This instruction’s operation is the same in non-64-bit modes and 64-bit mode.

    该指令在64位与非64位模式下的表现是一致的。

    5, spinlock改进

    根据上一小节的分析,pause指令最主要的作用是减低功耗和延迟执行下一条指令。所以我们可以有这样的猜想:如果在spin-wait的过程中,记录下加锁失败的次数,对失败的加锁行为进行惩罚(failure penalty),让等待时间和失败次数成正比,即失败次数越多等待时间越长、执行的pause指令越多。

    • 这样的好处有:

    A,   在锁竞争很激烈的情况下,通过增加延迟来降低锁总线的次数,当锁总线次数降低时,系统其它程序对内存的竞争减少,提高系统整体吞吐量

    B,   在锁竞争很激烈的情况下,减少计算指令的执行次数,降低功耗,低碳低碳!!!

    C,   当锁竞争不激烈时,还能获得和原来一样的性能

    • 但是带来的问题有:

    A,   如果竞争锁失败次数越多,pause次数越多的话,会导致有些线程产生starvation

    B,   在某些特殊的场景下,锁竞争很小的时候,failure penalty可能会导致程序执行时间变长,进而导致总的加锁次数不一定减少

    • 解决方案:

    当失败次数超过一个阈值的时候,将失败次数清零,使线程以洁白之躯重新参与竞争;对于少数failure penalty导致执行时间延长的情况,可以先忽略。

    • 基于failure penalty的改进实现:

    为了便于区分,起了很山寨的名字叫newlock,对比对象是sim_spin_lock,sim_spin_lock与pthread_spin_lock算法一致,实现细节基本一致,之所以加入这种对比是为了更加精确地衡量新算法的效果。ecx寄存器记录下本次加锁过程的失败次数

    • 与pthread_spin_lock算法相同的sim_spin_lock:

    6, 性能对比

    • 测试环境:

    处理器:8Core Intel(R) Xeon(R) CPU E5410  @ 2.33GHz

    Glibc版本:glibc-2.3.4-2.43

    GCC版本:3.4.6

    • 测试程序:
    • Benchmark设置:

    >输入参数:

    线程数量:1,2,3,5,7,8,10,12,14,16,18,20,25,30,35,40

    每个线程加锁(循环)次数:5000000

    临界区长度:1,1+1*6,1+3*6,1+5*6,1+10*6,1+20*6,1+50*6,1+100*6

    case执行次数:每个case执行10次,尽量减少误差

    > 输出参数:

    执行时间:平均执行时间

    锁总线次数:平均锁总线次数

    • 执行时间对比:

    • 锁总线次数对比:

    还有若干图,囿于篇幅和时间,亲们我就不贴了

    7, 实验结果分析

    • 定义:

    竞争因子:竞争因子=线程数量/处理器个数。以本文为例,假设有16个线程,处理器为8核,那么竞争因子为2

    • 竞争因子与执行时间的关系:

    当竞争因子为1/8,也就是只有一个线程的时候,很明显两种算法的执行时间是一致的,因为此时没有其他线程竞争锁;当竞争因子在1/8~4/8之间的时候,在某些情况下(依赖于临界区长度)新算法性能低于老算法;当竞争因子大于4/8的时候,新算法性能优于老算法。

    • 竞争因子与锁总线次数的关系:

    当竞争因子为1/8的时候,新老算法一致(原理同上);当竞争因子在1/8~4/8之间的时候,大部分情况下老算法性能优于新算法;当竞争因子大于4/8的时候,新算法性能优于老算法,由于锁总线次数基数比较大,在图上可能比较难看出来。

    • 拐点:

    细心的同学可能会发现有一个拐点:就是当临界区的长度为 1+50*6 的时候,也就是临界区有300行代码的时候,新算法锁总线次数要比老算法多,而且执行时间也长一些,这就牵扯到新算法的一个缺点:在某些情况下,当锁可用,需要去竞争锁的时候,由于线程还在pause中,只有等pause结束才能去竞争,而pause结束时,锁很可能不可用(被其他线程获取),根据新算法,加锁失败线程又要多pause一次,导致整体的锁总线次数和执行时间增加。这个拐点依赖于竞争因子、具体的处理器、具体的临界区代码、pause执行周期。

    • 不足:

    由于时间的关系,试验做的不是很足;指令回避那块可以做优化(目前只是简单的cmpl和jmp);到底最大pause次数是多少需要试验来支撑,目前是4次;个人感觉pause的处理器实现粒度还是比较粗的,应该是intel的一个经验值,接下来的试验可以用nop来代替pause,这样得出来的数据应该会更为平滑一些,控制也更为细腻。

    • 总结:

    当竞争比较激烈的时候,新算法在绝大部分情况下优于老算法(除了拐点),大概有2-5%的提升;当处理器竞争比较小的时候,尤其是竞争因子为3/8的时候,新算法不如老算法;如果用nop替代pause应该会有更好的表现。


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  • Spinlock

    2015-07-09 19:49:00
    Spinlock From Wikipedia, the free encyclopedia This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Uns...

    Spinlock

    From Wikipedia, the free encyclopedia

    In software engineering, a spinlock is a lock which causes a thread trying to acquire it to simply wait in a loop ("spin") while repeatedly checking if the lock is available. Since the thread remains active but is not performing a useful task, the use of such a lock is a kind of busy waiting. Once acquired, spinlocks will usually be held until they are explicitly released, although in some implementations they may be automatically released if the thread being waited on (that which holds the lock) blocks, or "goes to sleep".

    Because they avoid overhead from operating system process rescheduling or context switching, spinlocks are efficient if threads are likely to be blocked for only short periods. For this reason, operating-system kernels often use spinlocks. However, spinlocks become wasteful if held for longer durations, as they may prevent other threads from running and require rescheduling. The longer a thread holds a lock, the greater the risk that the thread will be interrupted by the OS scheduler while holding the lock. If this happens, other threads will be left "spinning" (repeatedly trying to acquire the lock), while the thread holding the lock is not making progress towards releasing it. The result is an indefinite postponement until the thread holding the lock can finish and release it. This is especially true on a single-processor system, where each waiting thread of the same priority is likely to waste its quantum (allocated time where a thread can run) spinning until the thread that holds the lock is finally finished.

    Implementing spin locks correctly offers challenges because programmers must take into account the possibility of simultaneous access to the lock, which could cause race conditions. Generally, such implementation is possible only with special assembly-language instructions, such as atomic test-and-set operations, and cannot be easily implemented in programming languages not supporting truly atomic operations.[1] On architectures without such operations, or if high-level language implementation is required, a non-atomic locking algorithm may be used, e.g. Peterson's algorithm. But note that such an implementation may require more memory than a spinlock, be slower to allow progress after unlocking, and may not be implementable in a high-level language if out-of-order execution is allowed.

    转载于:https://www.cnblogs.com/ydlme/p/4634090.html

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  • Spinlock

    2017-04-09 15:15:42
    A locked spinner puzzle is a puzzle where you can only change wheels in groups. It is a common puzzle to achieve some value on the spinners by only changing them in the allowed groups. ...
  • Spinlock stats

    2020-12-07 05:52:39
    <p>These changes fix some breakage with the --with-spinlock=pthread_logging configuration statistics (wtperf opens/closes the connection, and so we were losing statistics across that open/close, ...
  • 4.2 spinlock

    2020-08-10 23:05:18
    spinlock要解决的问题:保证临界区代码执行过程的原子性。 1、spinlock特性: 1.1、忙等待锁机制。 1.2、同一时刻只能有一个内核代码路径可以获得该锁。 1.3、要求spinlock锁持有者尽快完成临界区的执行任务。 ...

    spinlock要解决的问题:保证临界区代码执行过程的原子性。

    1、spinlock特性:

    1.1、忙等待锁机制。

    1.2、同一时刻只能有一个内核代码路径可以获得该锁。

    1.3、要求spinlock锁持有者尽快完成临界区的执行任务。

    1.4、spinlock锁可以在中断上下文中使用。

    2、spinlock的实现:

    typedef struct {
    ____union {
    ________u32 slock;    /*兼容Linux2.6.25之前的锁机制*/
    ________struct __raw_tickets {
    #ifdef __ARMEB__
    ____________u16 next;
    ____________u16 owner;
    #else
    ____________u16 owner;    /*当前正在占用锁的编号*/
    ____________u16 next;    /*下一次将要使用锁的编号*/
    #endif
    ________} tickets;            
    ____};    
    } arch_spinlock_t;
    
    typedef struct raw_spinlock {
    ____arch_spinlock_t raw_lock;     
    #ifdef CONFIG_GENERIC_LOCKBREAK
    ____unsigned int break_lock;
    #endif
    #ifdef CONFIG_DEBUG_SPINLOCK
    ____unsigned int magic, owner_cpu;
    ____void *owner;
    #endif
    #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
    ____struct lockdep_map dep_map;
    #endif
    } raw_spinlock_t;
    
    
     typedef struct spinlock {
     ____union {
     ________struct raw_spinlock rlock;                            
     
     #ifdef CONFIG_DEBUG_LOCK_ALLOC
     # define LOCK_PADSIZE (offsetof(struct raw_spinlock, dep_map))
     ________struct {
     ____________u8 __padding[LOCK_PADSIZE];
     ____________struct lockdep_map dep_map;
     ________};
     #endif
     ____};
     } spinlock_t; 
    

    spin_lock的实现及变种:

    static inline void spin_lock(spinlock_t *lock)
    {
    ____raw_spin_lock(&lock->rlock);
    }
    
    #define raw_spin_lock(lock)__raw_spin_lock(lock)
    
    static inline void __raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock)        
    {
    ____preempt_disable();    /*禁止抢占调度*/
    ____spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
    ____LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
    }
    
    static inline void do_raw_spin_lock(raw_spinlock_t *lock) __acquires(lock)
    {
    ______acquire(lock);
    ____arch_spin_lock(&lock->raw_lock);                                      
    }
    
    static inline void arch_spin_lock(arch_spinlock_t *lock)
    {
    ____unsigned long tmp;
    ____u32 newval;
    ____arch_spinlock_t lockval;
    
    ____prefetchw(&lock->slock);
    ______asm__ __volatile__(
    "1:_ldrex___%0, [%3]\n"            @ lockval = lock->slock
    "___add_%1, %0, %4\n"            @ newval = lockval + 1 << TICKET_SHIFT
    "___strex___%2, %1, [%3]\n"        @ *(&lock->slock) = newval
    "___teq_%2, #0\n"
    "___bne_1b"
    ____: "=&r" (lockval), "=&r" (newval), "=&r" (tmp)
    ____: "r" (&lock->slock), "I" (1 << TICKET_SHIFT)
    ____: "cc");
    
    ____while (lockval.tickets.next != lockval.tickets.owner) {
    ________wfe();    /*wfe指令让CPU进入等待状态*/
    ________lockval.tickets.owner = ACCESS_ONCE(lock->tickets.owner);
    ____}
    
    ____smp_mb();
    }
    
    static inline void spin_lock_irq(spinlock_t *lock)
    {
    ____raw_spin_lock_irq(&lock->rlock);              
    }
    
    #define raw_spin_lock_irq(lock)______raw_spin_lock_irq(lock)
    
    void __lockfunc _raw_spin_lock_irq(raw_spinlock_t *lock)
    {
    ______raw_spin_lock_irq(lock);                          
    }
    
    static inline void __raw_spin_lock_irq(raw_spinlock_t *lock)    
    {
    ____local_irq_disable();    /*禁止本地中断*/
    ____preempt_disable();    /*禁止调度和抢占*/
    ____spin_acquire(&lock->dep_map, 0, 0, _RET_IP_);
    ____LOCK_CONTENDED(lock, do_raw_spin_trylock, do_raw_spin_lock);
    }
    

    在ARM体系中,WFI(Wait For Interrupt)和WFE(Wait For Event)指令都是让ARM核进入standby睡眠模式。

    WFI/WFE等到有各自对应的事件发生时,才会被唤醒。它们唯一的区别在于,WFE可以被其他CPU上的SEV指令唤醒,SEV指令用于修改Event寄存器的指令。

    展开全文
  • SpinLock源码

    2020-07-12 01:29:39
    spinLock的基本原理是如果发现其他人锁着,就一直循环,知道其他人解锁后,再上锁。一般SpinLock适用于锁的时间很短的情况,通过不断判定是否可以加锁,避免适用Mutex这类操作系统锁带来不能锁定时的上下文切换。 二...

    一、概要

    spinLock的基本原理是如果发现其他人锁着,就一直循环,知道其他人解锁后,再上锁。一般SpinLock适用于锁的时间很短的情况,通过不断判定是否可以加锁,避免适用Mutex这类操作系统锁带来不能锁定时的上下文切换。

    二、实现源码

    #pragma once
    #include <atomic>
    #include <thread>
    using namespace std;
    class SpinLock
    {
    private:
    	atomic<bool> _flag;
    public:
    	SpinLock()
    	{
    		_flag = false;
    	}
    	void lock()
    	{
    		bool r = false;
    		while (!_flag.compare_exchange_strong(r, true)) //如果_flag为false,就把_flag改为true,r改为false,并且保证_flag的获取和修改时原子的
    		{
    			r = false;
    		}
    	}
    	void unlock()
    	{
    		_flag.store(false);
    	}
    };
    class SpinLockTest
    {
    private:
    	int count = 0;
    	int spinCount = 0;
    	int maxLoop = 10000000;
    	SpinLock lock;
    public:
    
    	void doTest()
    	{
    		thread thread1([this](){this->process(); });
    		thread thread2([this](){this->process(); });
    		thread1.join();
    		thread2.join();
    
    		thread thread3([this]() {this->spinProcess(); });
    		thread thread4([this]() {this->spinProcess(); });
    		thread3.join();
    		thread4.join();
    		printf("count=%d spinCount=%d\n", count, spinCount);
    		
    	}
    	void process()
    	{
    		for (int i = 0; i < maxLoop; i++)
    		{
    			count++;
    		}
    	}
    	void spinProcess()
    	{
    		for (int i = 0; i < maxLoop; i++)
    		{
    			lock.lock();
    			spinCount++;
    			lock.unlock();
    		}
    	}
    };
    
    

    三、输出结果

    count=13795495 spinCount=20000000

    三、代码分析

    • 从结果看spinLock实现了对spinCount的原子操作,而普通的多线程累加不能保证原子。
    • 其中用到了Atomic。Atomic可以实现对基本类型数据的原子读、原子写以及CAS操作。CAS是一种比较交换,当前值和期望值一样时,就交换成目标值。这里涉及到对Atomic值的读和写,单一通过原子读和原子写不能保证整个读写是原子的。幸好,Atomic提供了CAS操作,CAS通过CPU级别的无锁操作,实现了对数据的原子读写,不会导致上下文切换,比Mutex这种操作系统级别的锁有数倍的性能提升。
    展开全文
  • Implement SpinLock class

    2020-12-01 16:16:27
    <div><p>Implement a SpinLock class and native platform methods to support a spinlock class. public struct SpinLock { /// /// Enters spinlock /// public void Enter() { } /// /// Exits ...
  • <p>Use <code>ucs_spinlock</code> instead of <code>pthread_spinlock</code> for minimizing depndency. Please see also #3928. This PR change UCM parts. <h2>Why ? <p>I want to minimize <code>ptread_...
  • <p>Use <code>ucs_spinlock</code> instead of <code>pthread_spinlock</code> for minimizing depndency. Please see also #3928. This PR change UCS parts. <h2>Why ? <p>I want to minimize <code>ptread_...
  • 2. spinlock

    2020-06-01 17:05:53
    1 spinlock实现 2 spinlock变种 3 spinlock和raw_spin_lock 4 总结 本章思考题 为什么spinlock的临界区不能睡眠(不考虑RT-Linux的情况)? Linux内核中经典spinlock的实现有什么缺点? 为什么spinlock临界区不...
  • spinlock自旋锁

    2019-01-18 16:36:14
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  • SPINLOCK学习

    2017-11-15 07:39:54
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  • C++ spinlock

    2018-03-22 14:28:00
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    2020-11-28 14:17:12
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空空如也

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