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  • 自旋锁的实现

    2021-03-31 17:40:15
    自旋锁的实现 test-and-set 代码: typedef struct lock_t { int flag; }lock_t; void init(lock_t *mutex){ mutex->flag = 0; } void lock(lock_t *mutex){ while(mutex->flag == 1); mutex->flag = 1...

    自旋锁的实现

    test-and-set

    代码:

    typedef struct lock_t {
            int flag;
    }lock_t;
    void init(lock_t *mutex){
            mutex->flag = 0;
    }
    void lock(lock_t *mutex){
            while(mutex->flag == 1);
            mutex->flag = 1;
    }
    void unlock(lock_t *mutex){
            mutex->flag = 0;
    }
    
    

    有限状态机模型:

    compare-and-exchange(x86)

    SPARC系统是compare-and-swap

    代码:

    int CompareAndSwap(int *ptr, int expected, int new){
            int actual;
            if(actual == expected){
                    *ptr = new;
            }
            return actual;
    }
    void lock(lock_t *lock){
            while(CompareAndSwap(lock->flag, 0, 1) == 1);
    }
    

    LL/SC(load-linked/store-conditional)

    int LoadLinked(int *ptr){
        return *ptr;
    }
    int StoreConditional(int *ptr, int value){
        if(no one has update *ptr since the LoadLinked to this address){
            *ptr = value;
            return 1;
        }else{
            return 0;
        }
    }
    void lock(lock_t *lock){
        while(1){
            while(LoadLink(&lock->flag) == 1);
            if(StoreConditional(&lock->flag, 1) == 1) return;
        }
    }
    void unlock(lock_t *lock){
        lock->flag = 0;
    }
    

    fetch-and-add

    代码:

    int FetchAndAdd(int *ptr){
        int old = *ptr;
        *ptr = old + 1;
        return old;
    }
    typedef struct lock_t{
        int ticket;
        int turn;
    }lock_t;
    void lock_init(lock_t *lock){
        lock->ticket = 0;
        lock->turn = 0;
    }
    void lock(lock_t *lock){
        int myturn = FetchAndAdd(&lock->ticket);
        while(lock->turn != myturn);
    }
    void unlock(lock_t *lock){
        FetchAndAdd(lock->turn);
    }
    
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  • golang 自旋锁的实现

    2020-09-19 22:10:30
    主要介绍了golang 自旋锁的实现,小编觉得挺不错的,现在分享给大家,也给大家做个参考。一起跟随小编过来看看吧
  • 自旋锁以及Java中的自旋锁的实现

    万次阅读 多人点赞 2018-08-07 00:45:18
    什么是自旋锁 多线程中,对共享资源进行访问,为了防止并发引起的相关问题,通常都是引入锁的机制来处理并发问题。 获取到资源的线程A对这个资源加锁,其他线程比如B要访问这个资源首先要获得锁,而此时A持有这个...

    什么是自旋锁

    多线程中,对共享资源进行访问,为了防止并发引起的相关问题,通常都是引入锁的机制来处理并发问题。

    获取到资源的线程A对这个资源加锁,其他线程比如B要访问这个资源首先要获得锁,而此时A持有这个资源的锁,只有等待线程A逻辑执行完,释放锁,这个时候B才能获取到资源的锁进而获取到该资源。

    这个过程中,A一直持有着资源的锁,那么没有获取到锁的其他线程比如B怎么办?通常就会有两种方式:

    1. 一种是没有获得锁的进程就直接进入阻塞(BLOCKING),这种就是互斥锁

    2. 另外一种就是没有获得锁的进程,不进入阻塞,而是一直循环着,看是否能够等到A释放了资源的锁。

    上述的两种方式,学术上,就有几种不同的定义方式,大学的时候 学习的是C++, 《C++ 11》中就有这样的描述:

    自旋锁(spin lock)是一种非阻塞锁,也就是说,如果某线程需要获取锁,但该锁已经被其他线程占用时,该线程不会被挂起,而是在不断的消耗CPU的时间,不停的试图获取锁。

    互斥量(mutex)是阻塞锁,当某线程无法获取锁时,该线程会被直接挂起,该线程不再消耗CPU时间,当其他线程释放锁后,操作系统会激活那个被挂起的线程,让其投入运行。

    而《linux内核设计与实现》经常提到两种态,一种是内核态,一种是用户态,对于自旋锁来说,自旋锁使线程处于用户态,而互斥锁需要重新分配,进入到内核态。这里大家对内核态和用户态有个初步的认知就行了,用户态比较轻,内核态比较重。用户态和内核态这个也是linux中必备的知识基础,借鉴这个,可以进行很多程序设计语言API上的优化,就比如说javaio的部分,操作io的时候,先是要从用户态,进入内核态,再用内核态去操作输入输出设备的抽象,这里减少用户态到内核态的转换就是新io的一部分优化,后面再聊。

    wiki中的定义如下:

    自旋锁计算机科学用于多线程同步的一种,线程反复检查锁变量是否可用。由于线程在这一过程中保持执行,因此是一种忙等待

    自旋锁避免了进程上下文的调度开销,因此对于线程只会阻塞很短时间的场合是有效的。因此操作系统的实现在很多地方往往用自旋锁。Windows操作系统提供的轻型读写锁(SRW Lock)内部就用了自旋锁。显然,单核CPU不适于使用自旋锁,这里的单核CPU指的是单核单线程的CPU,因为,在同一时间只有一个线程是处在运行状态,假设运行线程A发现无法获取锁,只能等待解锁,但因为A自身不挂起,所以那个持有锁的线程B没有办法进入运行状态,只能等到操作系统分给A的时间片用完,才能有机会被调度。这种情况下使用自旋锁的代价很高。(红字部分是我给wiki编辑的词条,单核CPU不适合自旋锁,这个也只是针对单核单线程的情况,现在的技术基本单核都是支持多线程的)

    为什么要使用自旋锁

    互斥锁有一个缺点,他的执行流程是这样的 托管代码  - 用户态代码 - 内核态代码、上下文切换开销与损耗,假如获取到资源锁的线程A立马处理完逻辑释放掉资源锁,如果是采取互斥的方式,那么线程B从没有获取锁到获取锁这个过程中,就要用户态和内核态调度、上下文切换的开销和损耗。所以就有了自旋锁的模式,让线程B就在用户态循环等着,减少消耗。

    自旋锁比较适用于锁使用者保持锁时间比较短的情况,这种情况下自旋锁的效率要远高于互斥锁。

    自旋锁可能潜在的问题

    • 过多占用CPU的资源,如果锁持有者线程A一直长时间的持有锁处理自己的逻辑,那么这个线程B就会一直循环等待过度占用cpu资源
    • 递归使用可能会造成死锁,不过这种场景一般写不出来

    CAS

    就不写术语定义了,简单的理解就是这个CAS是由操作系统定义的,由若干指令组成的,这个操作具有原子性,这些指令如果执行,就会全部执行完,不会被中断。CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

    CAS的问题

    • 经典的CAS的ABA问题,上面提到了CAS操作的时候,要检测值有没有变化,如果一个值原来是A,后来变成了B, 后来又变成了A,CAS会认为没有发生变化。

           解决方案:

           1. 加版本号   1A - 2B -  3A

            2. 对java而言,jdk1.5提供了AtomicStampedReference来解决这个问题

    • 只能保证一个共享变量的原子操作 

            CAS通常是对一个变量来进行原子操作的,所以如果对多个变量进行原子操作就会有问题了。

            解决方案

            1. 简单粗暴,加锁,反而加入了复杂性,最low的方式

            2. 跟上面的加版本号的道理一样,就是将多个变量拼成一个变量(可以拼成一个字符串)

            3. 对java而言,jdk1.5 提供了AtomicStampedReference,这个reference 就是个对象引用,把多个变量放在这个对象里即可

    JAVA CAS封装

     sun.misc.Unsafe是JDK里面的一个内部类,这个类当中有三个CAS的操作

    JAVA自旋锁应用

    Jdk1.5以后,提供了java.util.concurrent.atomic包,这个包里面提供了一组原子类。基本上就是当前获取锁的线程,执行更新的方法,其他线程自旋等待,比如atomicInteger类中的getAndAdd方法内部实际上使用的就是Unsafe的方法。

        /**
         * Atomically adds the given value to the current value.
         *
         * @param delta the value to add
         * @return the previous value
         */
        public final int getAndAdd(int delta) {
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
        }

    当然java中的syncronized关键字,在1.5中有了很大的优化,加入了偏隙锁也有人叫偏向锁,主要的实现方式就是在对象头markword中打上线程的信息,这样资源上的锁的获取就偏向了这个线程,后面,会涉及一系列的锁升级的问题,间隙锁 - 轻量锁 - 重量级锁 ,锁升级后面单独抽出来写一篇,这个轻量锁实际上就是使用的也是自旋锁的实现方式。

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  • 自旋锁的实现原理

    2020-09-13 16:00:11
    自旋锁的实现原理 自旋锁的介绍 自旋锁和互斥锁比较相似,都是为了实现保护共享资源而提出的一种锁机制,在任何一个时刻,只有一个执行单元可以获取该锁,如果该锁已经被别的单元占用,那么调用者便会进行CPU空转...

    自旋锁的实现原理

    1. 自旋锁的介绍
    • 自旋锁和互斥锁比较相似,都是为了实现保护共享资源而提出的一种锁机制,在任何一个时刻,只有一个执行单元可以获取该锁,如果该锁已经被别的单元占用,那么调用者便会进行CPU空转消耗并且时刻关注该所是否已经被释放,直到自己获取该锁为止。
    1. 自旋锁的特点
    • 相对于互斥锁,自旋锁是一种轻量级的锁,在有别的线程获取了该锁,需要进行自旋等待的时候,CPU依然占用着该线程资源不放,不会切换到其他线程去执行,因此,在等待时间较长的时候是不适用自旋锁的,这会拜拜消耗大量的CPU性能。
    • 而互斥锁,在需要进行等待的时候,是不会一直空转消耗CPU的,它会阻塞并且切换到别的线程执行,发生一个上下文切换,这也是一个较为耗时的操作,在重新再切换回该线程执行时,就已经发生了两次上下文切换。
    • 总的来说,在锁的竞争不繁忙,和该锁保持的代码执行时间较短的情况下,是可以使用自旋锁的,这样不会因为等待时间过长而白白浪费了大量的CPU性能。在C#中,SpinWait和SpinLock是基于自旋的等待操作,而Lock、Mutex和各种信号量,都是基于阻塞的等待操作。
    1. C#中的自旋操作
    • 如上所说,SpinWait和SpinLock是C#中的自旋操作,由于自旋锁的自旋操作带来了一定的风险性,比如活锁,CPU一直进行空转等待,所以在C#中的自旋操作是一种自适应的自旋操作,其部分源代码如下:
            internal const int YIELD_THRESHOLD = 10;//作上下文切换操作的阈值
            internal const int SLEEP_0_EVERY_HOW_MANY_TIMES = 5;//每自旋5次sleep(0)一次
            internal const int SLEEP_1_EVERY_HOW_MANY_TIMES = 20;//每自旋20次sleep(1)一次
            private int m_count;//自旋次数
            
            [__DynamicallyInvokable]
            public int Count
            {
                [__DynamicallyInvokable]
                get
                {
                    return m_count;
                }
            }
            
            [_DynamicallyInvokable]
            public bool NextSpinWillYield
            {
                [__DynamicallyInvokable]
                get
                {
                    if (m_count <= 10)//当自旋次数不超过10次时,单核CPU则返回true,
                    {
                        return PlatformHelper.IsSingleProcessor;
                    }
                    return true;//自旋次数超过10次也将返回true
                }
            }
            
            [__DynamicallyInvokable]
            public void SpinOnce()
            {
                if (NextSpinWillYield)//如果下次操作将产生上下文切换
                {
                    CdsSyncEtwBCLProvider.Log.SpinWait_NextSpinWillYield();
                    //只有单核CPU才会m_count不大于10,多核CPU从10以后开始进行计数
                    int num = (m_count >= 10) ? (m_count - 10) : m_count;
                    if (num % 20 == 19)//10以后的计数值除以20后的余数为19则触发一次sleep(1)操作
                    {
                        Thread.Sleep(1);
                    }
                    else if (num % 5 == 4)//10以后的计数值除以5后的余数为4则触发一次sleep(0)操作
                    {
                        Thread.Sleep(0);
                    }
                    else//上述条件都不满足则进行Yield操作
                    {
                        Thread.Yield();
                    }
                }
                else
                {
                    Thread.SpinWait(4 << m_count);//如果不发生上下文切换,这次自旋操作将导致线程等待4*2的m_count的时间
                }
                //当m_count到达int类型计数最大值时重新赋值为10,否则m_count加一
                m_count = ((m_count == 2147483647) ? 10 : (m_count + 1));
            }
            
            [__DynamicallyInvokable]
            public static bool SpinUntil(Func<bool> condition, int millisecondsTimeout)//该方法将导致线程在一定时间内自旋等待条件完成
            {
                if (millisecondsTimeout < -1)//超时时间不能为负
                {
                    throw new ArgumentOutOfRangeException("millisecondsTimeout", millisecondsTimeout, Environment.GetResourceString("SpinWait_SpinUntil_TimeoutWrong"));
                }
                if (condition == null)//条件不能为空
                {
                    throw new ArgumentNullException("condition", Environment.GetResourceString("SpinWait_SpinUntil_ArgumentNull"));
                }
                uint num = 0u;
                if (millisecondsTimeout != 0 && millisecondsTimeout != -1)
                {
                    num = TimeoutHelper.GetTime();//获取当前时间
                }
                SpinWait spinWait = default(SpinWait);
                while (!condition())//条件不满足时,将执行自旋等待,超时时间等于0或者确实超时了将会返回false
                {
                    if (millisecondsTimeout == 0)
                    {
                        return false;
                    }
                    spinWait.SpinOnce();//执行自旋操作
                    if (millisecondsTimeout != -1 && spinWait.NextSpinWillYield && millisecondsTimeout <= TimeoutHelper.GetTime() - num)
                    {
                        return false;
                    }
                }
                return true;//在指定超时时间内条件满足则返回false
            }
    • 在SpinWait中,在自旋次数超过10之后,每次进行自旋便会触发上下文切换的操作,在这之后每自旋5次会进行一次sleep(0)操作,每20次会进行一次sleep(1)操作。
    • 通过查看SpinOnce的源码,可以看到,在多核CPU的情况下,在自旋次数10次以内,每次自旋会导致该线程等待4*2的m_count的时间,自旋次数超过10次之后,每20次自旋的第19次会进行sleep(1)一次,每5次自旋的第4次会进行sleep(0)一次,其余都是yield()操作。
    • 对于该线程来说,yield()会导致CPU强制将当前线程切换为当前已经准备好的另外一个线程,即使这个线程的优先级更低,sleep(0)则是将当前线程重新放回该优先级的队列,重新进行一次线程调度,如果没有更高优先级或者相同优先级的就绪线程,CPU可能会再次调回该线程,而sleep(1)会使该线程在未来的1ms的时间内不会成为就绪状态,将不参与当前CPU的竞争。这三种方式都会直接强制该线程放弃剩余的当前的时间片,重新进行线程调度。
    • 再来看SpinUntil的源码,这个方法允许在一个指定的时间内,等待某条件的完成,首先它的指定时间不能为负,条件不能为null,接下来,便使用一个While循环,判断该条件是否满足,每判断一次条件,会判断时间是否已经到达,也会执行一次自旋操作SpinOnce(),若时间到达条件还没能满足则会返回false,在指定时间内满足了则返回true。这也是使用SpinOnce()的一种标准的操作,在C#的其他很多地方中对SpinOnce()方法的使用也是这样的。
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  • 基础 什么是自旋锁 由于本文主要讨论的都是自旋锁,所以首先就需要弄...有了这一层了解,自旋锁的优势和劣势,以及其适用场景也就一目了然了。 优势: 没有线程阻塞,也就没有了线程上下文切换带来的开销 ...

    基础

    什么是自旋锁

    由于本文主要讨论的都是自旋锁,所以首先就需要弄明白什么是自旋锁。

    自旋锁最大的特征,就是它会一直循环检测锁的状态,当锁处于被占用的状态时,不会将当前线程阻塞住,而是任由它继续消耗CPU Cycles,直到发现需要的锁处于可用状态。

    有了这一层了解,自旋锁的优势和劣势,以及其适用场景也就一目了然了。

    优势:

    1. 没有线程阻塞,也就没有了线程上下文切换带来的开销
    2. 自旋操作更加直观,无需分析什么情况下会导致线程阻塞

    劣势:

    最大的问题就是由于需要一直循环检测锁的状态,因此会浪费CPU Cycles

    适用场景:

    结合上述的优劣,自旋锁在锁的临界区很小并且锁争抢排队不是非常严重的情况下是非常合适的:

    1. 临界区小,因此每个使用锁的线程占用锁的时间不会很长,自旋等待的线程能够快速地获取到锁。
    2. 所争抢排队不严重,因此锁的自旋时间也是可控的,不会有大量线程处于自旋等待的状态中。

    自旋锁只是一种加锁和释放的实现策略。它也能够分为非公平和公平两种情况。这一点很好理解,每个需要加锁的线程没有先来后到的概念,完全根据当时运行时的情况来决定哪个线程能够成功加锁。而公平锁则通过使用一个队列对线程进行排队来保证线程的先来后到。

    核心机制

    对于加锁和释放锁的操作,需要是原子性的。这是能够继续讨论的基石。对于现代处理器,一般通过CAS(Compare And Set)操作来保证原子性。它的原理其实很简单,就是将“对比-设置”这一个流程原子化,保证在符合某种预期的前提下,完成一次写操作。

    对应到Java语言层面,就是那一大票的AtomicXXX类型。比如在下面的非公平自旋锁的实现中,会借助AtomicReference类型提供的CAS操作来完成加锁和释放锁的操作。

    非公平自旋锁

    实现比较简单,直接上代码:

    public class SimpleSpinLock {
    
        /**
         * 维护当前拥有锁的线程对象
         */
        private AtomicReference<Thread> owner = new AtomicReference<>();
    
        public void lock() {
            Thread currentThread = Thread.currentThread();
    
            // 只有owner没有被加锁的时候,才能够加锁成功,否则自旋等待
            while (!owner.compareAndSet(null, currentThread)) {
    
            }
        }
    
        public void unlock() {
            Thread currentThread = Thread.currentThread();
    
            // 只有锁的owner才能够释放锁,其它的线程因为无法满足Compare,因此不会Set成功
            owner.compareAndSet(currentThread, null);
        }
    
    }

    这里的关键就是加锁和释放锁中的两个CAS操作:

    1. 加锁过程。将CAS操作置于一个while循环中,来实现自旋的语义。由于CAS操作成功与否是成功取决于它的boolean返回值,因此当CAS操作失败的情况下,while循环将不会退出,会一直尝试CAS操作直到成功为止,此即所谓的自旋(忙等待)。
    2. 释放锁过程。此时不需要循环操作,但是仍然会考虑到只有当前拥有锁的线程才有资格释放锁。这一点还是通过CAS操作来保证。

    这个锁的实现是比较简单的,关键需要了解自旋锁的原理和实现层面的CAS操作。

    从加锁的实现来看,加锁过程并没有考虑到先来后到,因此也就不是一个公平的加锁策略。下面介绍一种基于排队的公平自旋锁的实现,它类似于我们在日常生活中的各种服务场景下的排队。比如你去银行办理业务,需要首先在叫号机上拿一个号码,然后你就处于等待状态,然后时不时地看一下当前叫到哪个号码了(自旋等待),直到你的号码被柜台呼叫(加锁成功)。服务完成后,柜台会呼叫下一个号码(释放锁)。

    基于排队的公平自旋锁

    我们可以使用两个原子整型变量来分别模拟当前排队号和当前服务号。

    加锁和释放锁两个操作的过程如下:

    1. 加锁过程。获取一个排队号,当排队号和当前的服务号不相等时自旋等待。
    2. 释放锁过程。当前正被服务的线程释放锁,计算下一个服务号并设置。

    相应的代码如下所示:

    public class TicketLock {
    
        /**
         * 当前正在接受服务的号码
         */
        private AtomicInteger serviceNum = new AtomicInteger(0);
    
        /**
         * 希望得到服务的排队号码
         */
        private AtomicInteger ticketNum  = new AtomicInteger(0);
    
        /**
         * 尝试获取锁
         *
         * @return
         */
        public int lock() {
            // 获取排队号
            int acquiredTicketNum = ticketNum.getAndIncrement();
    
            // 当排队号不等于服务号的时候开始自旋等待
            while (acquiredTicketNum != serviceNum.get()) {
    
            }
    
            return acquiredTicketNum;
        }
    
        /**
         * 释放锁
         *
         * @param ticketNum
         */
        public void unlock(int ticketNum) {
            // 服务号增加,准备服务下一位
            int nextServiceNum = serviceNum.get() + 1;
    
            // 只有当前线程拥有者才能释放锁
            serviceNum.compareAndSet(ticketNum, nextServiceNum);
        }
    
    }

    这里需要注意的是:

    1. 加锁过程。lock方法会返回一个排队号,这个排队号在后面释放锁的过程中会被用到。
    2. 释放锁过程。接受希望释放锁的线程的排队号。在CAS增加服务号的过程中会首先验证排队号的合法性。

    总结

    本文首先讨论了什么是自旋锁,以及它的优劣和对应的应用场景。

    然后给出了两种简单的自旋锁的实现,分别对应非公平和公平两种策略。

    自旋锁在Java并发包中扮演着很重要的角色,下一篇文章会分析MCS和CLH这两种更加高级的自旋锁原理和相应实现,为后续分析Java并发包中的基石AbstractQueuedSynchronizer扫清障碍。

    参考资料

    1. https://coderbee.net/index.php/concurrent/20131115/577
    2. https://en.wikipedia.org/wiki/Spinlock
    3. https://en.wikipedia.org/wiki/Ticket_lock
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