DPDK系列之三十四DPDK并行机制的同步控制

一、同步

Synchronization，同步。很好理解，简单的可以认为是同一个节奏。引申到计算机，其实就是多任务保持一致性。这个一致性一般是指数据，也可能会是操作。在单任务单线（进）程中，同步是天然的。在多任务无共同操作条件下，同步没有意义。
同步一般是在多线（进）程（多任务）且这些线程之间必须有共同操作部分时，才会有意义。
以前说过，计算机中的应用和现实的应用是映射。什么意思呢？如果计算机解决的问题，在现实世界上都可以找到原型。比如同步，举一个例子：如果测试学生做操的成绩，各自单独测试即可。可要测试班级操的成绩，这个即使每个学生做的都非常好，但各自做各自的，那么成绩也不一定好。只有同一班的学生保持一致（同步），这样才成绩更优秀。

二、并行和并发中的同步

刚刚说过，在单线程和多线程的某些情况下，同步是没有意义的。所以，同步一定是在并发和并行中且有交互的情况下，才有意义。而并发和并行，又增加了同步的复杂性。但是当把同步抽象出来，其实就是具体到某一个粒度是串行的。也就是说，如何保证这个粒度是最合适的。也就引出了后面，使用哪种锁是最合适的话题。
在开发者们学习多线程编程时，最先接触的同步方式一般是互斥体（Mutex）。它是一种重量级锁，既支持进程间的同步又支持线程间的同步方式。然后才是其它的如信号量、条件变量、临界区等等。使用互斥锁缺点主要是太耗费时间，而且一不小心还有可能产生死锁。
那么，就产生了一种读写锁，读写锁其实是一种对锁机制的平衡，在正常的情况下，如果只是读取的话，其实数据自然是同步的，而且事实是在某些场合下，读是一种非常频繁的操作（比如缓存），所以这就可以不进行排它的读，减少锁的时间耗费。当然，如果判断一个线程要写数据时，需要启动排它性，只能它一个操作了。在Linux中设计了一个读写锁ReadWriteLock 。但是，一定要知道在什么情况下使用读写锁。比如，一个场景就是十个线程抢占式写一个数据区，那么读写锁反而没啥意义了。读写锁其实是两部分，一部分是读锁，需要支持多个持有者，一个是写锁，排它。在内核中使用提把一个int型分成高低两位，一部分用来处理读（两个字节，最多65535个读锁持有者），一部分用来处理写。读部分因为是共同持有，所以需要使用CAS进行处理。
而在c++11中推出了automic，原子操作。当然，别的语言和别的情况下也各自有各自的原子操作的方式。所谓原子操作，就是不可再分解的意思。也就是说，这是串行化的，操作它，只能一个个轮流来，不能说你读一下我写一下乱序执行。原子操作其实就基本涉及到了硬件操作了，通过汇编的指令接口，来影响具体的执行过程。一般为说，原子操作和内存顺序也是有一定的关系的，需要大家注意。同时，不同的架构的CPU和不同的架构体系（SMP NUMA MPP）也有不同的处理方式，都需要根据实际情况来分析。原子操作只能操作一个变量，当然一个位操作也算一个变量，也就是原子位操作。
还有一种比较常见的，也是目前在无锁编程中用得比较多的，自旋锁。自旋锁，就是自个儿旋转的锁？表面上看就是这么一个玩意儿。它底层其实是通过CAS不断的尝试去读取锁（表现出来就是一个循环，但其实底层如果支持PAUSE指令，则可以使用其），获取了就操作不获取就继续。
CAS有几个经典的问题，ABA问题，时间耗费问题和只能操作一个变量（这也是前面把一个int分成高低两部分的原因）。但它也有闪光点啊。一般来说，在多线程编程中，当线程达到一定数量后，线程上下文的切换就成为了一个需要重视的点。互斥锁等会引起线程的切换及线程的睡眠，而CAS只是阻塞CPU而不会引起线程的退让，这在某些场景下，优势还是非常明显的。
那么就可以明白，在只有一颗CPU一个核心的情况下，自旋锁没有意义，已经退化为普通的互斥体类似的机制，只有在多核多CPU的情况下才有意义。同时，自旋锁持有CPU不放，所以只能短时间使用，如果长时间需要锁住一个数据，就不能使用自旋锁。所以早期的自旋锁，基本都只是在内核中使用，后期才渐渐在应用层开始使用。同时为了安全，应用层使用自旋锁往往会提供一些安全机制，比如回退到某个时间点上会退化为普通锁。自旋锁在使用过程中是不允许递归的，同样在自旋锁的源码中可以看到其屏蔽了中断请求的函数（中断中如果也有自旋锁，这事儿就难办了）。
当然，还有一些其它的同步操作方式，如内存栅栏等，它们之间或多或少都有一些相通之处。这里不再赘述。
最后，所有的有锁编程，当然不如无锁编程更好。无锁并不是真正意义上的无锁，而把锁进一步下移到非上层控制，在上层表现为无传统意义上锁机制。可以简单的理解成使用指令级操作通过硬件来进行锁操作，速度更快。
那么，开发中到底使用哪种锁最好呢？
一般来说，没有最好，只有最合适。前面也简单分析了一些锁的应用场景，其实就是提醒开发者，在实际应用中，要根据实际情况动态选择使用哪种锁甚至混合使用这些锁。哪种方式能更好的实现目的，就用哪种，这才是正确的方法。

三、DPDK中的同步及源码分析

DPDK中同样也引入原子操作、读写锁和自旋锁三种方式。
1、原子操作

//rte_atomic.h
#define	rte_mb() _mm_mfence()

#define	rte_wmb() _mm_sfence()

#define	rte_rmb() _mm_lfence()

#define rte_smp_wmb() rte_compiler_barrier()

#define rte_smp_rmb() rte_compiler_barrier()
/**
 * Compiler barrier.
 *
 * Guarantees that operation reordering does not occur at compile time
 * for operations directly before and after the barrier.
 */
#define	rte_compiler_barrier() do {		\
	asm volatile ("" : : : "memory");	\
} while(0)

static inline void
rte_atomic64_add(rte_atomic64_t *v, int64_t inc);

#ifdef RTE_FORCE_INTRINSICS
static inline void
rte_atomic64_add(rte_atomic64_t *v, int64_t inc)
{
	__sync_fetch_and_add(&v->cnt, inc);
}
#endif

/**
 * Atomically subtract a 64-bit value from a counter.
 *
 * @param v
 *   A pointer to the atomic counter.
 * @param dec
 *   The value to be subtracted from the counter.
 */
static inline void
rte_atomic64_sub(rte_atomic64_t *v, int64_t dec);

#ifdef RTE_FORCE_INTRINSICS
static inline void
rte_atomic64_sub(rte_atomic64_t *v, int64_t dec)
{
	__sync_fetch_and_sub(&v->cnt, dec);
}
#endif

/**
 * Atomically increment a 64-bit counter by one and test.
 *
 * @param v
 *   A pointer to the atomic counter.
 */
static inline void
rte_atomic64_inc(rte_atomic64_t *v);

#ifdef RTE_FORCE_INTRINSICS
static inline void
rte_atomic64_inc(rte_atomic64_t *v)
{
	rte_atomic64_add(v, 1);
}

2、读写锁

//rte_rwlock.h
/**
 * The rte_rwlock_t type.
 *
 * cnt is -1 when write lock is held, and > 0 when read locks are held.
 */
typedef struct {
	volatile int32_t cnt; /**< -1 when W lock held, > 0 when R locks held. */
} rte_rwlock_t;

/**
 * A static rwlock initializer.
 */
#define RTE_RWLOCK_INITIALIZER { 0 }

/**
 * Initialize the rwlock to an unlocked state.
 *
 * @param rwl
 *   A pointer to the rwlock structure.
 */
static inline void
rte_rwlock_init(rte_rwlock_t *rwl)
{
	rwl->cnt = 0;
}

/**
 * Take a read lock. Loop until the lock is held.
 *
 * @param rwl
 *   A pointer to a rwlock structure.
 */
static inline void
rte_rwlock_read_lock(rte_rwlock_t *rwl)
{
	int32_t x;
	int success = 0;

	while (success == 0) {
		x = __atomic_load_n(&rwl->cnt, __ATOMIC_RELAXED);
		/* write lock is held */
		if (x < 0) {
			rte_pause();
			continue;
		}
		success = __atomic_compare_exchange_n(&rwl->cnt, &x, x + 1, 1,
					__ATOMIC_ACQUIRE, __ATOMIC_RELAXED);
	}
}

/**
 * @warning
 * @b EXPERIMENTAL: this API may change without prior notice.
 *
 * try to take a read lock.
 *
 * @param rwl
 *   A pointer to a rwlock structure.
 * @return
 *   - zero if the lock is successfully taken
 *   - -EBUSY if lock could not be acquired for reading because a
 *     writer holds the lock
 */
__rte_experimental
static inline int
rte_rwlock_read_trylock(rte_rwlock_t *rwl)
{
	int32_t x;
	int success = 0;

	while (success == 0) {
		x = __atomic_load_n(&rwl->cnt, __ATOMIC_RELAXED);
		/* write lock is held */
		if (x < 0)
			return -EBUSY;
		success = __atomic_compare_exchange_n(&rwl->cnt, &x, x + 1, 1,
					__ATOMIC_ACQUIRE, __ATOMIC_RELAXED);
	}

	return 0;
}

3、自旋锁

//ret_spinlock.h
static inline void
rte_spinlock_lock(rte_spinlock_t *sl)
{
	int lock_val = 1;
	asm volatile (
			"1:\n"
			"xchg %[locked], %[lv]\n"
			"test %[lv], %[lv]\n"
			"jz 3f\n"
			"2:\n"
			"pause\n"
			"cmpl $0, %[locked]\n"
			"jnz 2b\n"
			"jmp 1b\n"
			"3:\n"
			: [locked] "=m" (sl->locked), [lv] "=q" (lock_val)
			: "[lv]" (lock_val)
			: "memory");
}

static inline void
rte_spinlock_unlock (rte_spinlock_t *sl)
{
	int unlock_val = 0;
	asm volatile (
			"xchg %[locked], %[ulv]\n"
			: [locked] "=m" (sl->locked), [ulv] "=q" (unlock_val)
			: "[ulv]" (unlock_val)
			: "memory");
}

static inline int
rte_spinlock_trylock (rte_spinlock_t *sl)
{
	int lockval = 1;

	asm volatile (
			"xchg %[locked], %[lockval]"
			: [locked] "=m" (sl->locked), [lockval] "=q" (lockval)
			: "[lockval]" (lockval)
			: "memory");

	return lockval == 0;
}
#endif

extern uint8_t rte_rtm_supported;

static inline int rte_tm_supported(void)
{
	return rte_rtm_supported;
}

static inline int
rte_try_tm(volatile int *lock)
{
	int i, retries;

	if (!rte_rtm_supported)
		return 0;

	retries = RTE_RTM_MAX_RETRIES;

	while (likely(retries--)) {

		unsigned int status = rte_xbegin();

		if (likely(RTE_XBEGIN_STARTED == status)) {
			if (unlikely(*lock))
				rte_xabort(RTE_XABORT_LOCK_BUSY);
			else
				return 1;
		}
		while (*lock)
			rte_pause();

		if ((status & RTE_XABORT_CONFLICT) ||
		   ((status & RTE_XABORT_EXPLICIT) &&
		    (RTE_XABORT_CODE(status) == RTE_XABORT_LOCK_BUSY))) {
			/* add a small delay before retrying, basing the
			 * delay on the number of times we've already tried,
			 * to give a back-off type of behaviour. We
			 * randomize trycount by taking bits from the tsc count
			 */
			int try_count = RTE_RTM_MAX_RETRIES - retries;
			int pause_count = (rte_rdtsc() & 0x7) | 1;
			pause_count <<= try_count;
			for (i = 0; i < pause_count; i++)
				rte_pause();
			continue;
		}

		if ((status & RTE_XABORT_RETRY) == 0) /* do not retry */
			break;
	}
	return 0;
}

static inline void
rte_spinlock_lock_tm(rte_spinlock_t *sl)
{
	if (likely(rte_try_tm(&sl->locked)))
		return;

	rte_spinlock_lock(sl); /* fall-back */
}

4、DPDK无锁队列
这里多说一句，DPDK的无锁队列是通过CAS来实现的，目前无锁队列也是应用CAS最广泛的一种应用。这个队列在前面分析过，这里就不再重贴代码了。

上面的代码都只是一部分的实现，有兴趣可以去DPDK的相关目录下找到这些文件，认真分析一下。至于如何调用的，可以直接查看引用，在代码中看这些API是如何调用的，基本就可以知道这几类锁在DPDK中的应用情况。

四、总结

锁的机制在不同的层次上有着不同的表述和表现形式，在不同的语言上可能又会衍生出不同的形式。这就需要开发者去仔细的分析其真正使用的哪种锁，从而能更好的对其进行应用。可以试着看一下Mutex在内核中是如何实现的(futex机制)，其实就明白了上面的话的意思。
底层建设一直是重要的环节，侯捷老师说过：勿在浮沙筑高台。