Linux-读写锁原理-CAS无锁编程原理和缺陷

Posted 2021-05-21 天津 唐秙

1. 读写锁

1.1 适用场景

  大量读，少量写

1.2 原理

1. 多个程序可以并行的对临界资源进行读操作，程序不会产生二义性结果。
2. 读写锁的内部有一个引用计数，来统计当前以读模式打开的读写锁的线程的数量。
3. 通过引用计数来判断当前读写锁是否还有线程以读模式打开，判断什么时候读写锁是空闲的，没有被占用。

1.3 读写锁的三种模式

1. 以读模式打开读写锁
2. 以写模式打开读写锁
3. 不加锁

1.4 面试题

问题： 线程A读模式，线程B读模式，并且已经获取读写锁，线程C想要以写模式打开，线程D想要以读模式打开，问线程D能不能直接获得读写锁？

不能，因为如果D能获取读写锁，那么我们假设后面全是想要获取读模式的线程，那么线程C将永远无法获取读写锁，因此，在将存在一个想要以写模式打开的线程的时候，后面想要获取读模式的线程将会进入等待队列，直到线程C解锁。

1.5 接口

1.初始化接口
  int pthread_rwlock_init

2.销毁接口
  int pthread_rwlock_destroy

3.读方式
  int pthread_rwlock_rdlock
  int pthread_rwlock_tryrdlock

4.写模式
  int pthread_rwlock_wrlock
  int pthread_rwlock_trywrlock

5.解锁接口
  int pthread_rwlock_unlock

2. CAS无锁编程

2.1 前言

  CAS（Compare And Swap，比较并交换），CAS根据其设计思想，可以划分为乐观锁。不同于synchronized关键字，synchronized实现的是悲观锁。乐观锁和悲观锁是基于线程并发竞争的角度来说的，悲观锁就是假设每次操作都是悲观的认为会发生线程竞争，不加锁就会导致程序结果错误，乐观锁就是假设每次操作都是乐观的认为不会发生线程竞争，所以不需要上锁，因此，CAS被称为无锁编程，实际上是一种乐观锁的体现。

2.2 代码

void* MyThreadStart(void* arg)
{
    RingQueue* rq = (RingQueue*)arg;
    for(int i = 0; i < 1000; i++)
    {
        rq->add();
        printf("%d\\n", rq->ret());
    }
    return NULL;
}

  两个线程累加同一个共享变量，线程不安全，输出的count小于等于2000，想要解决这个问题加锁就可以，但是如果要用无锁编程CAS来解决该怎么解决？

  现在无论运行多少遍，结果都是2000，也就是在没有加锁的情况下，写出了线程安全的count++操作，因此实现的关键就是AtomicInteger#getAndIncrement()方法。所以我们直接看下getAndIncrement()的源码。

/**
 * Atomically increments by one the current value.
 * 以原子方式将当前值增加一
 */
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

  可以该实现主要调用了this.compareAndSwapInt(…)方法，该方法就是便是CAS（Compare And Swap，比较并交换）。既然是比较和交换，那我们应该明确两点：比较什么、交换什么？
  CAS操作涉及到三个变量（V、E、N），V表示要更新的变量（工作内存中该变量的值）、E表示期望值（主内存中该变量的值）、N表示新值。
  首先判断变量当前值（V）是否等于期望值（E），不等于则说明在当前线程修改这个变量，同步回主内存之前，有别的线程已经修改过这个变量并且同步回了主内存。所以当前线程不能把值同步回主内存，而是重新从主内存中读取该值，重复这整个操作，直到当前值（V）等于期望值（E），才将新值同步回主内存。

2.3 过程描述

1. 线程A从主内存中读入变量count作为值V；
2. 线程A读取count的最新值，作为期望值E
3. 线程A把值（V）和期望（E）比较是否相等，相等就把新值（N）写回主内存，不相等就回到操作1

  其中第三步是原子操作，比较V和E局势为了保证变量count没有被其他线程修改过。

2.4 CAS缺陷

• 自旋的实现方式让所有线程都处于高频运行，争抢CPU的状态，如果操作长时间不成功，会带来很大的CPU消耗
• 仅针对单个变量的操作，不能用于多个变量来实现原子操作
• 会存在ABA问题

  ABA问题指主存当中的count变量从100变成101，再变成100的这种情况，这时候虽然还是100，但是这时候的100和原来100的含义不同，但是对于线程A是无法感知的，如果在实际开发当中不需要考虑ABA的影响，就可以使用CAS。