本地自旋锁与信号量/多服务台自旋队列-spin wait风格的信号量

Posted 2020-09-24 lytwajue

周日傍晚，我去家附近的超市(...)买苏打水，准备自制青柠苏打。我感觉我做的比买的那个巴黎水要更爽口。由于天气太热，非常多人都去超市避暑去了，超市也不撵人，这仿佛是他们的策略。人过来避暑了，走的时候难免要买些东西的。就跟非常多美女在公交地铁上看淘宝消磨时光，然后就下单了...这是多么easy一件事，反之开车的美女网购就少非常多。对于超市的避暑者，要比公交车上下单更麻烦些，由于有一个成本问题，这就是排队成本。
       其实这是一个典型的多服务台排队问题，可是超市处理的并不好。存在队头拥塞问题。我就好几次遇到过。好几次，我排的那个队。前面结账出现了纠纷。我们后面的就必须等待，眼睁睁看着旁边的结账队伍向前推进。可是这样的排队方案足够简单。把调度任务交给了排队者本人，结账的人想排到哪个队列就排到哪个队列，推断一个队列是否会拥塞也有非常多办法，比方看购物的多少。是否有衣物(锁卡拔出纠纷)，是否有称重的东西(会忘记称重)。是否有打折物。是否有老年人。收银员的手法是否娴熟等。全靠自己的推断。无异于一场赌博。  我改造的OpenVPN多线程实现就是这样的。
       银行服务以及饭店的排队服务就要好非常多，顾客排队时。自取一个号码，排入单一的队列，由空暇服务台叫号。这就是一个调度系统。这样的单队列多服务台是不会出现队头拥塞的，等候的顾客持ticket排队。本身不必排在队伍里，而ticket号逻辑上组成一个虚拟的队列，没叫到号的能够临时干点别的，自身不必排队。

       临时干别的？并不意味着你能够离开。特别是业务处理流程非常快的情况下。

你离开大厅。刚走出去。准备去旁边的小店逛逛，结果听到叫到你的号了，赶紧返回。其实还不如不出去呢。可是对于等待比較久的叫号系统，那倒是能够临时出去。出去再返回的过程意味着体力开销，可是如果出去的时间久，能够完毕另一件重要的事，意味着为这另外这件事的收益付出的体力开销是值得的。

       知道我想到什么了吗？我想到了信号量。

信号量就是一个单队列多服务台排队系统，信号量的初始值就是服务台的数量。

一个运行流被服务意味着少了一个可服务的服务台。这就是down操作，而up操作则是一个服务台又一次变成空暇的信号，这意味着有一个新的排队者能够得到服务了，我能够把”服务“理解成进入临界区。

       我在想一个问题，为什么信号量一定要设计成sleep-wait的模式，为什么就没有spin-wait的模式啊。而我眼下面临的问题，如果使用sleep-wait，切换开销太大，perf显示的头几名大头都在schedule，wake up。之类的，也就是说，你切换出去了，没多久就又把你叫回来了，好在Linux调度系统基于CFS全然公平机制，抖动不会太厉害。只是这么切换一次造成的开销也不算小。起码等到再次切换回来的时候。cache变凉了。

回想Linux版的ticket自旋锁。我认为全部的排队者以及持锁者touch同一个变量，该变量会cache到全部的当事者cpu的cache中，被持锁者以及争锁者read/write时，会涉及到多个处理器之间的cache一致性问题，这也是一笔非常大的底层开销。于是我设计了一个本地接力自旋锁改变了这个局面，保持每个争锁者都仅仅touch一个别的争锁者不会touch的变量。且cache line要着色以保证不会cache到同一line，此外，持锁者在释放锁的时候，仅仅会write下一个争锁者的本地变量。

这样就确保了cache一致性被最少的触发。
       本着这个新的自旋锁设计，结合我在超市的经历，我想把我这个自旋锁发展成一个能够有多个CPU持有锁的自旋队列。后来我突然发现，这不就是信号量嘛...可惜信号量并没有如期被我所用，由于Linux实现的信号量是sleep-wait机制的，我须要的是spin-wait，由于我知道一个数据包的发送是非常快的，之所以引入队列。构建VOQ，是由于我想避开N加速比问题，然而我的算法是软实现，根本不存在N加速比问题，所以后来我想取消VOQ，又怕引发队头拥塞。所以採用了多服务台单队列机制，为了实现这个，我本能够採用信号量的，可是又不想sleep，所以採用极其复杂的多个spin lock的机制，超市排队引发的遐想导致我想到用spin-wait来实现信号量，其实，简单測试之后。发现效果还真不错。

先看一下Linux原生的信号量实现。代码比較简单。顺便说一句。这篇文章并不意味着我又開始源码分析了，而是或许它意味着某种终结，前后的呼应。

/*
 * 为了突出重点问题,不至于迷失在代码细节.我做了下面的如果:
 * 1.我省去了操作信号量本身的自旋锁,我如果P/V操作过程的随意序列都是原子的.
 * 2.我取消了超时參数以及state,我如果除非得到信号量,否则一定等下去,我还如果睡眠不会被打断,除非有人唤醒.
 * 3.我取消了inline，由于我想突出环绕本地栈变量本地自旋，这样不会cache pingpong.
 */
struct semaphore {
    raw_spinlock_t        lock;
    unsigned int        count;
    struct list_head    wait_list;
};

struct semaphore_waiter {
    struct list_head list;
    struct task_struct *task;
    // 本地局部检測变量
    bool up;
};


static int down(struct semaphore *sem)
{
    if (likely(sem->count > 0)) {
        sem->count--;
    }
    else {
        struct task_struct *task = current;
        struct semaphore_waiter waiter;
        // 栈上的排队体,相当于ticket,获得信号量(函数返回)后就没实用了
        list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
        waiter.task = task;
        waiter.up = false;

        for (;;) {
            __set_task_state(task, TASK_UNINTERRUPTIBLE);
            schedule();

            // 本地栈变量的检測，降低了多处理器之间的cache同步。不会cache乒乓
            // ********************************************************************
            // 可是要想到一种情况。如果多个进程试图写这个变量，还是要有锁操作的。

            // 尽管我的如果是全部操作以及操作序列都是原子的，可是在up操作中。持有信
            // 号量的进程仅仅是简单的wake up了队列，而这并不能确保被唤醒的task就一定可
            // 以得到运行，中间另一个schedule层呢。鉴于这样的复杂的局面，我想到了不
            // sleep，而是本地自旋版本号的信号量。无论如何，它确实攻克了我的问题。

            // [其实，由于sem本身拥有一把自旋锁，这就禁止了多个“服务台”同一时候召唤
            //  同一个等待者的局面，而我在我的描写叙述中，忽略了这把自旋锁，这是为什么呢？
            //  由于。我想为我的自旋信号量版本号贴金，不然人家都把问题攻克了，我还扯啥
            //  玩意儿啊！]
            // ********************************************************************
            // 这样的情况在spin lock下不会存在，由于同一时候仅仅有一个进程会持有lock，
            // 不可能多个进程同一时候操作。


            if (waiter.up) {
                return 0;
            }
        }
    }
}

void up(struct semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;
    if (likely(list_empty(&sem->wait_list))) {
        sem->count++;
    } else {
        struct semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,
                            struct semaphore_waiter, list);
        // 标准的Linux kernel中。该操作被spin lock保护，这意味着不可能多个服务台同一时候将
        // 服务给与同一个等待者。
        list_del(&waiter->list);
        waiter->up = true;
        // 简单wake up进程。它何时投入运行，看调度器何时调度它了。
        wake_up_process(waiter->task);
    }
}

由于我忽略了信号量本身的保护自旋锁，当你具体分析上述实现的时候。会发现非常多竞争条件，比方同一时候多个服务台召唤一个等待者，可是没关系，该说的我都写到冗长的凝视里面了。

我之所以忽略信号量的自旋锁，是由于我想把信号量该造成一个通用的自旋等待队列，自旋锁仅仅是当中一个特殊情况，该情况相应仅仅有一个服务台的情形。
       如果看懂了原生的实现，那么改造后的实现应该是下面的样子：

?/*
 * 我引入了BEGIN_ATOMIC和END_ATOMIC两个宏。由于我不想贴汇编码。所以这两个宏的意思就是它们之间的代码都是由
 * lock前缀修饰的，锁总线。

 * 此外，什么事情都没有做。仅仅是改了名称。如果想初始化一个标准的排队自旋锁，将初始化宏的val设置成1就可以。
 */
struct spin_semaphore {
    unsigned int        count;
    struct list_head    wait_list;
};

struct spin_semaphore_waiter {
    struct list_head list;
    struct task_struct *task;
    // 本地局部检測变量
    bool up;
};


static int spin_down(struct spin_semaphore *sem)
{
    if (likely(sem->count > 0)) {
        sem->count--;
    }
    else {
        struct task_struct *task = current;
        struct spin_semaphore_waiter waiter;
BEGIN_ATOMIC
        list_add_tail(&waiter.list, &sem->wait_list);
        waiter.task = task;
        waiter.up = false;
END_ATOMIC

        for (;;) {
            cpu_relax();  // PAUSE
            if (waiter.up) {
                return 0;
            }
        }
    }
}

void up(struct spin_semaphore *sem)
{
    unsigned long flags;
BEGIN_ATOMIC
    if (likely(list_empty(&sem->wait_list))) {
        sem->count++;
END_ATOMIC
    }
    else {
        struct spin_semaphore_waiter *waiter = list_first_entry(&sem->wait_list,
                            struct spin_semaphore_waiter, list);
        list_del(&waiter->list);
        waiter->up = true;
END_ATOMIC
    }
}

全部名称加上了spin_前缀修饰。不错。这个应该是和Windows NT内核的排队自旋锁的实现非常接近了。在此不谈优化。然而实际使用时，应该是先用汇编编码。然后汇编码优化它了。