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  • 原子命令很重要的用途就是互斥(mutexes)。互斥保证了每次只有一个work-item能访问数据。opencl也支持原子命令,在opencl最初始的版本1.0,原子命令是作为扩展功能(opencl extensions)来提供的(参见cl_khr_global_int...

    原子命令很重要的用途就是互斥(mutexes)。互斥保证了每次只有一个work-item能访问数据。opencl也支持原子命令,在opencl最初始的版本1.0,原子命令是作为扩展功能(opencl extensions)来提供的(参见cl_khr_global_int32_base_atomics,cl_khr_global_int32_extended_atomics)。到opencl1.2以后,原子命令作为Atomic Functions成为opencl的内置函数(built-in function)。
    关于原子命令的概念,opencl中原子命令的使用方法不是本文讨论的重点,而是要说说在opencl用原子命令实现的自旋锁(spinlock)的使用限制。

    自旋锁(spinlock)

    opencl下实现自旋很简单,下面的代码示例了自锁旋的加锁和解锁:

    #pragma OPENCL EXTENSION cl_khr_global_int32_base_atomics : enable
    __kernel void atom_test(__global int* mutex){
      while(1==atom_cmpxchg(mutex,0,1));//自旋锁加锁,当*mutex为1时,work-item被阻塞
      //。。。。
      atom_xchg(mutex,0);//自旋锁解锁,将*mutex置为0
    }

    死锁?why?

    上面的代码看着挺简单,跟我们在主机端用的自旋锁没什么区别呀。
    但是,这段代码在GPU上运行时工作组(work group)中的工作项(work-item)数目大于1的时候,是不能正常工作的,直接导致设备死锁无响应。

    要搞清楚为什么简单的自旋锁在kernel中不能正常运行原原因,就要从GPU的中工作项的内存访问机制说起。
    我们知道,一个工作组的工作项都是在同一个计算单元(CU)上运行的,对于GPU的工作项来说,读写内存是个很耗时的过程(尤其是全局内存)。为了提高内存读写效率,同一个工作组中的每个工作项的单个的读写内存操作会被计算单元合并成整个工作组的一次内存操作。
    换句话说,从计算单元(CU)的角度来看,计算单元(CU)上运行的每个处理元件(PE)的一次内存访问最终都被合并成以计算单元为单位的一次内存操作。
    你还可以理解为每个PE(或work-item)都不能独立地访问内存,必须步调一致的同时访问内存。
    如果要举个更形象的例子,就像”挷腿跑”比赛
    这里写图片描述

    每个队员的双腿是与相邻的队员挷在一起的,所以每个队员并不能独立自由的迈开双腿,必须与全队的保持步调一致全队的跑起来速度才能最快,
    对于一般的内存访问这并没有什么问题。但是对于自旋锁就成了问题:
    每个PE(或work-item)都不能独立地访问内存,必须步调一致的同时访问内存(而且执行的是原子命令,光想想我的逻辑思维就已经混乱了),会导致它们不能分别执行加锁和解锁的动作,最后的结果就是设备死锁无响应。

    总结

    在opencl使用自旋锁的原则是:
    对于全局内存(global memory)中的mutext变量,每个work-group只能有一个work-item去访问这个自旋锁变量,超过一个work-item访问mutex变量就会造成GPU死锁。从CU的角度来说,就是同一个CU中只能有一个PE去访问自旋锁变量,否则就会造成GPU死锁。并且工作组(work-group)的数目不能超过计算单元(CU)的数量。
    对于局部内存(local memory)中的变量,不能使用自旋锁。(因为只允许一个work-item访问这个局部自旋锁变量是没有实际意义的)。

    建议:避免使用自旋锁

    其实看到自旋锁在opencl上应用有这么多限制,就能想到自旋锁并不适合在opencl kernel中使用。以我最近的惨痛教训来看,在kernel中使用自旋锁,造成kernel执行性能有几个数量级的下降。
    如果你在kernel设计中用到了自旋锁,那么你的代码结构很可能是不太合理的。建议你重新审视你的代码,避免用到自旋锁,这就是我最近折腾一个星期得到的教训。

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  • 【Redis】如何保证原子操作

    千次阅读 2020-10-30 12:25:01
    需求:两个客户端同时对[key1]执行自增操作,不会相互影响 操作:下面两个客户端并发操作会导致[key1]输出结果与预期不一致 ...[客户端一]、[客户端二]的R(读)、M(自增)、W(写)三个操作作为一个原子操作执...

    需求:两个客户端同时对[key1]执行自增操作,不会相互影响

    操作:下面两个客户端并发操作会导致[key1]输出结果与预期不一致

    1. [客户端一]读取[key1],值为[1]
    2. [客户端二]读取[key1],值为[1]
    3. [客户端一]将[key1]自增1,值为[2]
    4. [客户端二]将[key1]自增1,值为[2]
    5. [客户端一]输出[key1],值为[2]
    6. [客户端二]输出[key2],值为[2]

    解决思路

    1. [客户端一]、[客户端二]的R(读)、M(自增)、W(写)三个操作作为一个原子操作执行
    2. [客户端]对RMW整个操作过程加锁,加锁期间其它客户端不能对[key1]执行写操作
    3. Lua脚本

    思路一:单命令操作

    1. 概念

    •     Redis 提供了 INCR/DECR/SETNX 命令,把RMW三个操作转变为一个原子操作
    •     Redis 是使用单线程串行处理客户端的请求来操作命令,所以当 Redis 执行某个命令操作时,其他命令是无法执行的,这相当于命令操作是互斥执行的

    思路二:加锁

    1. 概念

         加锁主要是将多客户端线程调用相同业务方法转换为串行化处理,比如多个客户端调用同一个方法对某个键自增(这里不考虑其它方法或业务会对该键同时执行自增操作)   

    •      调用SETNX命令对某个键进行加锁(如果获取锁则执行后续RMW操作,否则直接返回未获取锁提示)
    •      执行RMW业务操作
    •      调用DEL命令删除锁

    2. 加锁风险一

    •      假如某个客户端在执行了SETNX命令加锁之后,在后面操作业务逻辑时发生了异常,没有执行 DEL 命令释放锁。
    •      该锁就会一直被这个客户端持有,其它客户端无法拿到锁,导致其它客户端无法执行后续操作。

         解决思路:给锁变量设置一个过期时间,到期自动释放锁

    SET key value [EX seconds | PX milliseconds] [NX]

    3. 加锁风险二

         如果客户端 A 执行了 SETNX 命令加锁后,客户端 B 执行 DEL 命令释放锁,此时,客户端 A 的锁就被误释放了。如果客户端 C 正好也在申请加锁,则可以成功获得锁。

         解决思路:加锁操作时给每个客户端设置一个唯一值(比如UUID),唯一值可以用来标识当前操作的客户端。

                           在释放锁操作时,客户端判断当前锁变量的值是否和唯一标识相等,只有在相等的情况下,才能释放锁。(同一客户端线程中加锁、释放锁)

     SET lock_key unique_value NX PX 10000

    思路三:Lua脚本

    1. 概念

    多个操作写到一个 Lua 脚本中(Redis 会把整个 Lua 脚本作为一个整体执行,在执行的过程中不会被其他命令打断,从而保证了 Lua 脚本中操作的原子性)

    2. 需求

    限制所有客户端在一定时间范围内对某个方法(键)的访问次数。客户端 IP 作为 key,某个方法(键)的访问次数作为 value

    3. 脚本

    local current current = redis.call("incr",KEYS[1]) 
    if tonumber(current) == 1 
    then redis.call("expire",KEYS[1],60) 
    end

    4. 调用执行

    redis-cli --eval lua.script keys , args

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  • 原子操作

    万次阅读 多人点赞 2019-08-12 10:13:28
    1、原子操作 原子操作(atomic operation)指的是由多步操作组成的一个操作。如果该操作不能原子地执行,则要么执行完所有步骤,要么一步也不执行,不可能只执行所有步骤的一个子集。 现代操作系统中,一般都提供...

    1、原子操作

    原子操作(atomic operation)指的是由多步操作组成的一个操作。如果该操作不能原子地执行,则要么执行完所有步骤,要么一步也不执行,不可能只执行所有步骤的一个子集。

    现代操作系统中,一般都提供了原子操作来实现一些同步操作,所谓原子操作,也就是一个独立而不可分割的操作。在单核环境中,一般的意义下原子操作中线程不会被切换,线程切换要么在原子操作之前,要么在原子操作完成之后。更广泛的意义下原子操作是指一系列必须整体完成的操作步骤,如果任何一步操作没有完成,那么所有完成的步骤都必须回滚,这样就可以保证要么所有操作步骤都未完成,要么所有操作步骤都被完成。

    例如在单核系统里,单个的机器指令可以看成是原子操作(如果有编译器优化、乱序执行等情况除外);在多核系统中,单个的机器指令就不是原子操作,因为多核系统里是多指令流并行运行的,一个核在执行一个指令时,其他核同时执行的指令有可能操作同一块内存区域,从而出现数据竞争现象。多核系统中的原子操作通常使用内存栅障(memory barrier)来实现,即一个CPU核在执行原子操作时,其他CPU核必须停止对内存操作或者不对指定的内存进行操作,这样才能避免数据竞争问题。

    在C++11之前,C++标准中并没有对原子操作进行规定。vs和gcc编译器提供了原子操作的api。

    2、windows原子操作api

    Win32 API中常用的原子操作主要有三类,一种是加1减1操作,一种是比较交换操作,另外一种是赋值(写)操作。

    (1)原子加1减1操作

    LONG InterlockedIncrement( LONG volatile* Addend);

    LONG InterlockedDecrement( LONG volatile* Addend);

    (2)  比较并交换操作

    LONG InterlockedCompareExchange( LONG volatile*Destination, LONG Exchange, LONG Comperand );

    这个操作是先将Comperand的值和Destination指向变量的值进行比较,如果相等就将Exchange变量的值赋给Destination指向的变量。返回值为未修改前的Destination位置的初始值。

    (3)原子写操作

    LONG InterlockedExchange( LONG volatile* Target, LONG Value);

    InterlockedExchange的作用为将Value的值赋给Target指向的变量,返回Target指向变量未被赋值前的值。

    3、GCC编译器提供的原子操作API

    type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value);
    type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value);
    type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value);
    type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value);
    type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value);
    type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value);
    type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value);
    type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value);
    type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value);
    type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value);
    type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value);
    type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value);

    4、C++11提供的原子操作

    C++11中在<atomic>中定义了atomic模板类,atomic的模板参数类型可以为int、long、bool等等,C++中称为trivially copyable type。atomic_int、atomic_long为atomic模板实例化后的宏定义。atomic具体的原子操作函数可以参考http://www.cplusplus.com/reference/atomic/atomic/?kw=atomic

    5、原子操作的效率

    (1)不加锁也不使用原子变量的程序

    程序代码:

    输出:

    (2)加锁的程序

    程序代码:

    输出:

    3.使用C++11原子变量的程序

    程序代码和输出:

     (4)结论

    上面的第一个不加锁程序肯定是最不推荐使用的,因为它的执行结果都不正确。第二个程序是使用的常规锁来解决问题,结果正确,但是耗时较久。第三个程序使用的是C++11引入的原子数据类型,使用它程序结果正确,在运行速度上也比加锁的版本快很多。所以,在我们平常写程序的过程中,推荐使用C++11引入的原子变量。

    6、什么时候使用原子操作

    在多线程并发的条件下,所有不是原子性的操作需要保证原子性时,都需要进行原子操作处理。

    例:

    long count = 0;

    void func()

    {

      count++;

    }

    如果有n个线程同时执行这段代码,所有线程执行完后,count的值不一定等于n。因为count++不是一个原子操作,编译成汇编代码,如下所示:

    MOV   eax, [count] 

    INC  eax

    MOV [count], eax

    在cpu执行时 

    第一步,先将 count所在内存的值加载到寄存器;

    第二步,将寄存器的值自增1;

    第三步,将寄存器中的值写回内存。

    cout初始值为0。第一个线程执行加1后,执行到第二步,这时内存中cout值还是0,寄存器中cout值为1还没写入内存。这时cpu调度第二个线程,执行cout加1的操作是在内存中cout值为0的基础上的,是不对的,应该等第一个线程执行完后,内存中cout值被写入1后再进行加1。

    上述示例中,count的操作如果为count = count + 2,那么也需要原子操作,而如果为count=2或者count==2,则不需要原子操作,因为它们本身的操作就是具有原子性的。

    参考:

    http://www.cplusplus.com/reference/atomic/atomic/?kw=atomic

    https://blog.csdn.net/zhangqhn/article/details/80876177

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  • 什么是原子操作

    千次阅读 2020-08-21 15:02:02
    原子操作就是: 不可中断的一个或者一系列操作, 也就是不会被线程调度机制打断的操作, 运行期间不会有任何的上下文切换(context switch). 二. 为什么关注原子操作? 1. 如果确定某个操作是原子的, 就不用为了去保护这...

     一. 何谓"原子操作":
    原子操作就是: 不可中断的一个或者一系列操作, 也就是不会被线程调度机制打断的操作, 运行期间不会有任何的上下文切换(context switch).

    二. 为什么关注原子操作?
    1. 如果确定某个操作是原子的, 就不用为了去保护这个操作而加上会耗费昂贵性能开销的锁. - (巧妙的利用原子操作和实现无锁编程)
    2. 借助原子操作可以实现互斥锁(mutex). (linux中的mutex_lock_t)
    3. 借助互斥锁, 可以实现让更多的操作变成原子操作. 

    三. 单核CPU的原子操作:
    在单核CPU中, 能够在一个指令中完成的操作都可以看作为原子操作, 因为中断只发生在指令间.

    四. 多核CPU的原子操作:
    在多核CPU的时代(确实moore定律有些过时了,我们需要更多的CPU,而不是更快的CPU,无法处理快速CPU中的热量散发问题), 体系中运行着多个独立的CPU, 即使是可以在单个指令中完成的操作也可能会被干扰. 典型的例子就是decl指令(递减指令), 它细分为三个过程: "读->改->写", 涉及两次内存操作. 如果多个CPU运行的多个进程在同时对同一块内存执行这个指令, 那情况是无法预测的. 

    五. 硬件支持 & 多核原子操作:
    软件级别的原子操作是依赖于硬件支持的. 在x86体系中, CPU提供了HLOCK pin引线, 允许CPU在执行某一个指令(仅仅是一个指令)时拉低HLOCK pin引线的电位, 直到这个指令执行完毕才放开.  从而锁住了总线, 如此在同一总线的CPU就暂时无法通过总线访问内存了, 这样就保证了多核处理器的原子性. (想想这机制对性能影响挺大的).  

    六. 哪些操作可以确定为原子操作了?
    对于非long和double基本数据类型的"简单操作"都可以看作是原子的. 例如: 赋值和返回. 大多数体系中long和double都占据8个字节, 操作系统或者JVM很可能会将写入和读取操作分离为两个单独的32位的操作来执行, 这就产生了在一个读取和写入过程中一个上下文切换(context switch), 从而导致了不同任务线程看到不正确结果的的可能性.

    递增, 递减不是原子操作: i++反汇编的汇编指令: (需要三条指令操作, 和两个内存访问, 一次寄存器修改)

    movl i, %eax                            //内存访问, 读取i变量的值到cpu的eax寄存器
    addl $1, %eax                         //增加寄存器中的值
    movl %eax, i                            //写入寄存器中的值到内存

     


    七. 如何实现++i和i++的原子性: 
    1. 单CPU, 使用锁或则禁止多线程调度, 因为本身单核CPU的并发就是伪并发. (在单核CPU中, 在没有阻塞的程序中使用多线程是没必要的).
    2. 多核CPU, 就需要借助上面说道的CPU提供的Lock, 锁住总线. 防止在"读取, 修改, 写入"整个过程期间其他CPU访问内存. (那么“读写,修改,写入”这个操作会不会在在单核中发生线程的切换呢?)

    八. Linux提供的两个原子操作接口:
    1. 原子整数操作
    针对整数的原子操作只能对atomic_t类型的数据处理。这里没有使用C语言的int类型,主要是因为:
    1) 让原子函数只接受atomic_t类型操作数,可以确保原子操作只与这种特殊类型数据一起使用.
    2) 使用atomic_t类型确保编译器不对相应的值进行访问优化. (原理为: 变量被volatile修饰了)
    3) 使用atomic_t类型可以屏蔽不同体系结构上的数据类型的差异。尽管Linux支持的所有机器上的整型数据都是32位,但是使用atomic_t的代码只能将该类型的数据当作24位来使用。这个限制完全是因为在SPARC体系结构上,原子操作的实现不同于其它体系结构:32位int类型的低8位嵌入了一个锁,因为SPARC体系结构对原子操作缺乏指令级的支持,所以只能利用该锁来避免对原子类型数据的并发访问。

    原子整数操作最常见的用途就是实现计数器。原子整数操作列表在中定义。原子操作通常是内敛函数,往往通过内嵌汇编指令来实现。如果某个函数本来就是原子的,那么它往往会被定义成一个宏。

    在编写内核时,操作demo如下:

    atomic_t cnt;
    atomic_set(&cnt, 2);
    atomic_add(4, &cnt);
    atomic_inc(cnt);

     


    2. 原子位操作:
    原子位操作定义在文件中。令人感到奇怪的是位操作函数是对普通的内存地址进行操作的。原子位操作在多数情况下是对一个字节长的内存(注1)访问,因而位号该位于0-31之间(在64位机器上是0-63之间),但是对位号的范围没有限制。

    注1:操作系统可以确保,在同一时刻,只有一个CPU的一个进程访问特定的某个字节,再加上单核中的原子性(基本数据类型的简单操作),所以单字节内存的简单操作是具有天生的多核原子性的。 

    编写内核代码,把要操作的数据的指针给操作函数,就可以进行位操作了:

    unsigned long var = 0;
    set_bit(0, &var);           /*set the 0th bit*/
    set_bit(1, &var);           /*set the 1th bit*/
    clear_bit(1, &var);         /*clear the 1th bit*/
    change_bit(0, &var);        /*change the 1th bit*/

     


    九. spinlock CPU同步: 
    spin lock必须基于CPU的数据总线锁定, 它通过读取一个内存单元(spinlock_t)来判断这个spinlock是否已经被别的CPU锁住. 如果否, 它写进一个特定值, 表示锁定了总线, 然后返回. 如果是, 它会重复以上操作直到成功, 或者spin次数超过一个设定值. 记住上面提及到的: 锁定数据总线的指令只能保证一个指令操作期间CPU独占数据总线. (spinlock在锁定的时侯, 不会睡眠而是会持续的尝试).

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