linux编程的108种奇淫巧计-7(Lock-free实验)

      从该博客开始，会有一些小系列预计有4-5篇博文来介绍，锁的应用和实践，我们常常听到spin lock，wait-free，lock-free，这到底是怎么回事，我们能不能自己实现一个spin lock，原理是什么？这个小系列就讨论这个内容。

 

      首先我们来看两个基本操作compare_and_swap和fetch_and_add，基本上lock-free的操作都会依赖这两个基本的原子操作。特别是compare_and_swap这个原子操作，它源于IBM System 370，其包含三个参数：（1）共享内存的地址(*p)，（2）该地址期望的值(old_value)，（3）一个新值(new_value)。只有当*p == old_value时，才产生交换操作，返回真值，否则返回假值，相当于如下代码 ：template<class T>

        bool CAS(T* addr, T exp, T val) //只有在整个函数过程具有原子性时才正确，实际的代码参照下面的汇编代码。
      {
              if（*addr == exp）{
                                             *addr = val;
                                              return true；
                }
              return false；
      }

      在下面的代码中我们会看到compare_and_swap使用了lock指令，用于锁总线，setz会判断cmpxchg指令后ZF符号位是否置位，可以知道是否发生了一次交换。以下是一段可以执行的代码，void* sum(void*)函数通过不同的编译命令生成不同的代码，其结果都是用10个线程对一个全局变量进行加和的简单操作。但分别采用了pthread提供的mutex，fetch_and_add方法,完全无锁的方法，应用cas的三种方式，其中sum_with_cas_imp_yield就基本是spinlock的实现了。

      下一篇我来公布在我的测试机的实验结果，并且继续探讨其他lock-free的话题。

 

 

#include <pthread.h>

#include <stdio.h>

#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <syscall.h>
#if defined(__x86_64__) 
        #define ATOMICOPS_WORD_SUFFIX "q"  //64位环境下使用cmpxchgq命令
#else
        #define ATOMICOPS_WORD_SUFFIX "l"   //32位环境下使用cmpxchgl命令
#endif
static inline bool compare_and_swap(volatile size_t *p, size_t val_old, size_t val_new){
        char ret;
        __asm__ __volatile__("lock; cmpxchg" ATOMICOPS_WORD_SUFFIX " %3, %0; setz %1"//lock命令锁总线，因此可以保证多核同步
                        : "=m"(*p), "=q"(ret)      //setz为ZF符号位是否置位，用于设置返回值
                        : "m"(*p), "r" (val_new), "a"(val_old)
                        : "memory");
        return (bool)ret;
}
static inline size_t fetch_and_add(volatile size_t *p, size_t add){
        unsigned int ret;
        __asm__ __volatile__("lock; xaddl %0, %1"
                        :"=r" (ret), "=m" (*p)
                        : "0" (add), "m" (*p)
                        : "memory");
        return ret;
};
struct my_cas
{
        my_cas(unsigned char t):m_val_old(t){}
        size_t m_val_old;
        inline void try_continue(size_t val_old,size_t val_new){
                while(!compare_and_swap(&m_val_old,val_old,val_new)){};
        }
inline void add(size_t val_new){
                fetch_and_add(&m_val_old,val_new);
        }
};
volatile size_t g_uCount;
pthread_mutex_t g_tLck=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
my_cas mutex(1);
const size_t cnt_num = 10000000;
void* sum_with_mutex_lock(void*)
{
        for(int i=0;i < cnt_num;++i) {
                pthread_mutex_lock(&g_tLck);
                g_uCount += 1;
                pthread_mutex_unlock(&g_tLck);
        }
};
void* sum_with_f_and_a(void*)  //用fetch_and_add原子操作来保证结果正确性。
{
        for(int i=0;i < cnt_num;++i) {
                fetch_and_add(&g_uCount,1);
        }
};
void* sum_with_cas(void*)  //用CAS原子操作来模拟锁操作。
{      
        for(int i=0;i< cnt_num;++i)
        {      
                mutex.try_continue(1,0);
                g_uCount += 1;
                mutex.try_continue(0,1);  
        }
}
void* sum_with_cas_imp(void*)
{
        for(int i=0;i< cnt_num;++i) {
                for(;;) {
                        size_t u = g_uCount;
                        if(compare_and_swap(&g_uCount,u,u+1)){   //在上一条语句和本条语句之间，g_uCount无篡改则进行加1，
                                break;        //break出该循环，否则重试，直到成功。
                        }
                }
        }
}
void* sum_with_cas_imp_yield(void*)
{
        for(int i=0;i< cnt_num;++i) {
                for(;;) {
                        register size_t c = 1000; //
                        while(c){
                                size_t u = g_uCount;
                                if(compare_and_swap(&g_uCount,u,u+1)){
                                        break;
                                }
                                c--;
                        }
                        if(!c){
                                syscall(SYS_sched_yield); //增加一次让渡CPU的机会，spin lock通常应有这种策略
                        }
                }
        }
}
void* sum_just_free(void*)
{      
        for(int i=0;i < cnt_num;++i) {  //完全无锁，无等待，但执行结果通常是错误的。
                g_uCount += 1;
        }
}
void* sum(void*)
{
        #ifdef M_LOCK
         sum_with_mutex_lock(NULL);
        #endif
        #ifdef FETCH_AND_ADD
         sum_with_f_and_a(NULL);
        #endif
        #ifdef FREE
         sum_just_free(NULL);
        #endif
        #ifdef CAS
         sum_with_cas(NULL);
        #endif
        #ifdef CAS_IMP
         sum_with_cas_imp(NULL);
        #endif
#ifdef CAS_IMP_YIELD
         sum_with_cas_imp_yield(NULL);
        #endif
};
int main()
{      
        pthread_t* thread = (pthread_t*) malloc(10*sizeof( pthread_t));
        for(int i=0;i<10;++i){      
                pthread_create(&thread[i],NULL,sum,NULL);
        }
        for(int i=0;i<10;++i){      
                pthread_join(thread[i],NULL);
        }
        printf("g_uCount:%d/n",g_uCount);
}
用以下编译命令编译出6个程序
g++ test.cpp -o test_free -D FREE -lpthread
g++ test.cpp -o test_fetchandadd -D FETCH_AND_ADD -lpthread
g++ test.cpp -o test_mlock -D M_LOCK -lpthread
g++ test.cpp -o test_cas -D CAS -lpthread
g++ test.cpp -o test_cas_imp -D CAS_IMP –lpthread
g++ test.cpp –o test_cas_imp_yield –D CAS_IMP_YIELD -lpthread

 

本系列其他文章：http://blog.csdn.net/pennyliang/category/746545.aspx