linux编程的108种奇淫巧计-9(Lock-free之二)

接上回：linux编程的108种奇淫巧计-7(Lock-free实验)

本节增加test_and_set的原语和一个spinlock比较完整的实现（参照nginx spin lock），主要的变化在于插入了__asm__ ("pause")指令，且插入次数是尝试锁的次数的2次幂，有助于在减少重试次数，通过这一变化可以对比看出CPU100%占用的问题得到了缓解。test_and_set指令在未来的博客中还会继续提到，cas，tas，fetch_and_add是这一系列中需要使用的仅有的3条原子操作。

test_and_set的语义为传入一个地址将其无条件置1，并返回该地址值的原来值，如果原来是1，返回1，如果原来是非1，返回非1，这提供了一个关门的好处，如果变量是非1，在进入临界区以后，该变量自动关门，后面的尝试全部失败因为是while(tas(V)==1)的操作，在使用完临界区以后，将该值请零（reset），必然有一个会在spin的过程中拿到，但是这种调度是有偶然性的，因此可能会出现饥饿，而且并发数越多的情况下，越容易出现饥饿，spin的次数不易过大，本文指定为4096，该值可以根据实际环境调整，参见nginx源码。

以下是实验代码：

/*************************************************************************

//编译方法

//g++ test.cpp -o test_cas_imp -D CAS_IMP -lpthread
//g++ test.cpp -o test_cas_imp_all -D CAS_IMP_ALL -lpthread
//g++ test.cpp -o test_tas_imp -D TAS_IMP -lpthread
//g++ test.cpp -o test_tas_imp_all -D CAS_IMP_ALL -lpthread

/**************************************************************************

# i nclude <stdio.h>
#include <pthread.h>
#include <string.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <syscall.h>
#if defined(__x86_64__)
#define ATOMICOPS_WORD_SUFFIX "q"
#else
#define ATOMICOPS_WORD_SUFFIX "l"
#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"
: "=m"(*p), "=q"(ret)
: "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;
};
static inline int test_and_set(volatile int *s) /* tested */
{ int r;
__asm__ __volatile__(
"xchgl %0, %1 \n\t"
: "=r"(r), "=m"(*s)
: "0"(1), "m"(*s)
: "memory");

return r;
}
static inline int reset(volatile int *s)
{
*s = 0;
}

volatile size_t g_uCount;
pthread_mutex_t g_tLck=PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;
const size_t cnt_num = 10000000;
volatile int tas_lock = 0;

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)){
break;
}
}
}
}
void* sum_with_tas_imp(void*)
{
for(int i=0;i< cnt_num;++i) {
while((test_and_set(&tas_lock))==1){}
++g_uCount;
reset(&tas_lock);
}
}

void* sum_with_cas_imp_all(void*)
{
for(int i=0;i < cnt_num;) {
for(;;)
{
size_t u = g_uCount;
if(compare_and_swap(&g_uCount,u,u+1)){
goto L1;
}
for(size_t n=1;n<4096;n<<=1){
for(size_t i=0;i<n;i++){
__asm__ ("pause") ;
}
u = g_uCount;
if(compare_and_swap(&g_uCount,u,u+1)){
goto L1;
}

}
syscall(SYS_sched_yield);
}
L1: ++i;
}
}

// reference:http://nginx.sourcearchive.com/documentation/0.7.59-1/ngx__spinlock_8c-source.html

void* sum_with_tas_imp_all(void*)

{

for(int i=0;i < cnt_num;++i) {

for(size_t n = 1;(test_and_set(&tas_lock))==1;n<<=1){

if(n<4096){

for(size_t i=0;i<n;i++){

__asm__ ("pause") ;

}

}

else{

syscall(SYS_sched_yield);

n = 1;

}

}

++g_uCount;

reset(&tas_lock);

}

}

void* sum(void*)

{
#ifdef CAS_IMP
sum_with_cas_imp(NULL);
#endif

#ifdef TAS_IMP
sum_with_tas_imp(NULL);
#endif

#ifdef CAS_IMP_ALL
sum_with_cas_imp_all(NULL);
#endif

#ifdef TAS_IMP_ALL
sum_with_tas_imp_all(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);
free( thread );
}

我搜了一下也有一些不错的文章供大家参考

（1）http://student.csdn.net/space.php?uid=45153&do=thread&id=7403

（2）http://www.ibm.com/developerworks/cn/linux/l-rwlock_writing/