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linux编程的108种奇淫巧计-9(Lock-free之二)
2011-01-22 13:35:56           
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/kf/201011/77843.html

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 "
                        : "=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") ;
                     &n

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