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linux编程的108种奇淫巧计-7(Lock-free实验)
2010-11-09 12:14:58      个评论      
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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 <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。
                        }
                }
      

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