CAS无锁队列与线程同步

Posted 2020-12-13 will287248100

线程同步

同步：同步控制着线程之间的执行顺序，不让他们抢占式执行。在保证数据安全的前提下，让线程能够按照某种特定的顺序访问临界资源，从而有效避免饥饿问题，叫做同步。

原子访问：同一时刻，只允许一个线程访问临界资源；

原子操作：指多步操作组成的一个操作；原子操作中线程不会被切换，线程切换要么在原子操作之前，要么在原子操作完成之后。

在单核系统里，单个的机器指令可以看成是原子操作（如果有编译器优化、乱序执行等情况除外）；在多核系统中，单个的机器指令就不是原子操作，因为多核系统里是多指令流并行运行的，一个核在执行一个指令时，其他核同时执行的指令有可能操作同一块内存区域，从而出现数据竞争现象。多核系统中的原子操作通常使用内存栅障（memory barrier）来实现，即一个CPU核在执行原子操作时，其他CPU核必须停止对内存操作或者不对指定的内存进行操作，这样才能避免数据竞争问题。

CAS无锁队列：

避免队列放入和读取过于频繁。volatile 修饰变量+type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval)

CAS原理：compare and swap;比较内存有没有被修改，期望值和读出来的值是否一致

应用：无锁队列，ZMQ中的设计用到了cas无锁队列； disruptor库。会涉及到cache的操作的问题：每个CPU都有独立的cache, 当cache修改了，cache1和cache2会失效的问题；

缺点：出了问题很难debug；考验设计能力；

mutex互斥锁：如果获取不到锁，线程就会进入休眠，让出CPU资源，线程加入到所等待队列中；

缺点：切换上下文引起的效率的问题；要避免频繁的切换上下文成为应用场景的选择；

临界区执行代码比较长时mutex和spinlock相比较会占优势一点；比如：for(i =0 ;i <10000;i++){sum++;}

spinlock自旋锁：

特点：忙等待，继续去检测锁的状态；

应用场景中：1.临界区内不能存在阻塞；2，临界区代码段执行时间不能过长，比如：i++;++i......；

 

++i;i++;

1. 把i从内存加载到寄存器；
2. 执行操作；
3. 写回内存；

 

gcc -S Filenale.c

Vim Filenam.s

其反汇编代码：

movl  i(%rip),  %eax

addl  $1,  %eax

movl  %eax,  i(%rip)

 

原子操作指令API:add,sub,or,and,xor,nand

 

X86内存汇编指令加操作：lxx_atomic_add(&s_i, 1);

static int lxx_atomic_add(int *ptr, int increment)

{

int old_value = *ptr;

 __asm__ volatile("lock; xadd %0, %1 "

: "=r"(old_value), "=m"(*ptr)

: "0"(increment), "m"(*ptr)

: "cc", "memory");

return *ptr;

}