利用C++11原子量如何实现自旋锁详解
一、自旋锁
自旋锁是一种基础的同步原语,用于保障对共享数据的互斥访问。与互斥锁的相比,在获取锁失败的时候不会使得线程阻塞而是一直自旋尝试获取锁。当线程等待自旋锁的时候,CPU不能做其他事情,而是一直处于轮询忙等的状态。自旋锁主要适用于被持有时间短,线程不希望在重新调度上花过多时间的情况。实际上许多其他类型的锁在底层使用了自旋锁实现,例如多数互斥锁在试图获取锁的时候会先自旋一小段时间,然后才会休眠。如果在持锁时间很长的场景下使用自旋锁,则会导致CPU在这个线程的时间片用尽之前一直消耗在无意义的忙等上,造成计算资源的浪费。
使用自旋锁时要注意:
由于自旋时不释放CPU,因而持有自旋锁的线程应该尽快释放自旋锁,否则等待该自旋锁的线程会一直在哪里自旋,这就会浪费CPU时间。
持有自旋锁的线程在sleep之前应该释放自旋锁以便其他咸亨可以获得该自旋锁
二、CAS操作实现自旋锁
CAS(Compare and Swap),即比较并替换,实现并发算法时常用到的一种技术,这种操作提供了硬件级别的原子操作(通过锁总线的方式)。CAS操作的原型可以认为是:
bool CAS(V, A, B)
其中V代表内存中的变量,A代表期待的值,B表示新值。当V的值与A相等时,将V与B的值交换。逻辑上可以用下面的伪代码表示:
bool CAS(V, A, B) { if (V == A) { swap(V, B); return true; } return false; }
需要强调的是上面的操作是原子的,要么不做,要么全部完成。
那么已经拥有CAS操作的情况下如何实现一个自旋锁呢?首先回忆自旋锁的用途,本质上我们是希望能够让一个线程在不满足进入临界区的条件时,不停的忙等轮询,直到可以运行的时候再继续(进入临界区)执行。那么,我们可能自然的想到使用一个bool变量来表示是否可以进入临界区,例如以下面的伪代码的逻辑:
while(flag == true); flag = true; /* do something ... */ flag = false; ...
这样做的直观想法是当flag为true的时候表示已经有线程处于临界区内,只有当flag为fasle时才能进入,而在进入的时候立即将flag置为true。但是这样做明显存在一个问题,判断flag为false和设置flag为true并不是一个不可分割的整体,有可能出现类似下面这样的时序, 假设最初flag为false:
step | thread 1 | thread 2 |
---|---|---|
1 | while(flag == true); | |
2 | while(flag == true); | |
3 | flag = true | |
4 | flag = true | |
5 | do something | do something |
6 | flag = false | |
7 | flag = false |
step是虚构的步骤,do something为一系列指令,这里写在一起表示并发执行。这里可以看出由于thread1读取判断flag的值与修改flag的值是两个独立的操作,中间插入了thread2的判断操作,最终使得有两个线程同时进入了临界区,这与我们的期望相悖。那么如何解决呢?如果能将读取判断与修改的操作合二为一,变成一个不可分割的整体,那么自然就不可能出现这种交错的场景。对于这样一个整体操作,我们希望它能读取内存中变量的值,并且当其等于特定值的时候,修改它为我们需要的另一个值。嗯......没错,这样我们就得到了CAS操作。
现在可以重新修改我们的同步方式,不停的进行期望flag为false的CAS操作 CAS(flag, flase, b) (这里b为true),直到其返回成功为止,再进行临界区中的操作,离开临界区时将flag置为false。
b = true; while(!CAS(flag, false, b)); //do something flag = false;
现在,判断操作与写入操作已经成为了一个整体,当一个线程的CAS操作成功的时候会阻止其他线程进入临界区,到达互斥访问的目的。
现在我们已经可以使用CAS操作来解决临界区的互斥访问的问题了,但是如果每次都这样写一遍实在太过麻烦,因此可以进行一些封装使得使用更加方便,也就是说...可以封装成自旋锁。我们可以用一个类来表示,将一个bool值作为类的数据成员,同时将CAS操作和赋值操作作为其成员函数,CAS操作其实就是加锁操作,而后面的赋值操作就是解锁操作。
三、用C++原子量实现
按照上面的思路,接下来用 C++ 11 引入标准库的原子量来实现一个自旋锁并且进行测试。
首先,我们需要一个bool值来表示锁的状态,这里直接使用标准库中的原子量 atomic<bool> (C++ 11的原子量可以参考:https://www.jb51.net/article/141896.htm ,在我的平台(Cygwin64、GCC7.3)上 atomic<bool> 的成员函数is_lock_free()返回值为true,是无锁的实现(如果内部使用了锁来实现的话那还叫什么自旋锁 = =)。实际上在大多数平台上 atomic<bool> 都是无锁的,如果不确定的话也可以使用C++标准规定必须为无锁实现的atomic_flag。
接下来,我们需要两个原子操作,CAS和赋值,C++11标准库在原子量的成员函数中直接提供了这两个操作。
//CAS std::atomic::compare_exchange_weak( T& expected, T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ), std::atomic::compare_exchange_strong( T& expected, T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst ) //赋值 void store( T desired, std::memory_order order = std::memory_order_seq_cst )
compare_exchange_weak 与 compare_exchange_strong 主要的区别在于内存中的值与expected相等的时候,CAS操作是否一定能成功,compare_exchange_weak有概率会返回失败,而compare_exchange_strong则一定会成功。因此,compare_exchange_weak必须与循环搭配使用来保证在失败的时候重试CAS操作。得到的好处是在某些平台上compare_exchange_weak性能更好。按照上面的模型,我们本来就要和while搭配使用,可以使用compare_exchange_weak。最后内存序的选择没有特殊需求直接使用默认的std::memory_order_seq_cst。而赋值操作非常简单直接,这个调用一定会成功(只是赋值而已 = =),没有返回值。
实现代码非常短,下面是源代码:
#include <atomic> class SpinLock { public: SpinLock() : flag_(false) {} void lock() { bool expect = false; while (!flag_.compare_exchange_weak(expect, true)) { //这里一定要将expect复原,执行失败时expect结果是未定的 expect = false; } } void unlock() { flag_.store(false); } private: std::atomic<bool> flag_; };
如上面所说,lock操作不停的尝试CAS操作直到成功为止,unlock操作则将bool标志位复原。使用方式如下:
SpinLock myLock; myLock.lock(); //do something myLock.unlock();
接下来,我们进行正确性测试,以经典的i++ 问题为例:
#include <atomic> #include <thread> #include <vector> //自旋锁类定义 class SpinLock { public: SpinLock() : flag_(false) {} void lock() { bool expect = false; while (!flag_.compare_exchange_weak(expect, true)) { expect = false; } } void unlock() { flag_.store(false); } private: std::atomic<bool> flag_; }; //每个线程自增次数 const int kIncNum = 1000000; //线程数 const int kWorkerNum = 10; //自增计数器 int count = 0; //自旋锁 SpinLock spinLock; //每个线程的工作函数 void IncCounter() { for (int i = 0; i < kIncNum; ++i) { spinLock.lock(); count++; spinLock.unlock(); } } int main() { std::vector<std::thread> workers; std::cout << "SpinLock inc MyTest start" << std::endl; count = 0; std::cout << "start " << kWorkerNum << " workers_" << "every worker inc " << kIncNum << std::endl; std::cout << "count_: " << count << std::endl; //创建10个工作线程进行自增操作 for (int i = 0; i < kWorkerNum; ++i) workers.push_back(std::move(std::thread(IncCounter))); for (auto it = workers.begin(); it != workers.end(); it++) it->join(); std::cout << "workers_ end" << std::endl; std::cout << "count_: " << count << std::endl; //验证结果 if (count == kIncNum * kWorkerNum) { std::cout << "SpinLock inc MyTest passed" << std::endl; return true; } else { std::cout << "SpinLock inc MyTest failed" << std::endl; return false; } return 0; }
上面的代码中创建了10个线程对共享的全局变量count分别进行一百万次++操作,然后验证结果是否正确,最终执行的输出为:
SpinLock inc MyTest start start 10 workers_every worker inc 1000000 count_: 0 workers_ end count_: 10000000 SpinLock inc MyTest passed
从结果中可以看出我们实现的自旋锁起到了保护临界区(这里就是i++ )的作用,count最后的值等于每个线程执行自增的数目之和。作为对比,可以去掉IncCounter中的加锁解锁操作:
void IncCounter() { for (int i = 0; i < kIncNum; ++i) { //spinLock.lock(); count++; //spinLock.unlock(); } }
执行后的输出为:
SpinLock inc MyTest start start 10 workers_every worker inc 1000000 count_: 0 workers_ end count_: 7254522 SpinLock inc MyTest failed
结果由于多个线程同时执行 i++ 造成结果错误。
到这里,我们就通过 C++ 11的原子量实现了一个简单的自旋锁。这里只是对C++原子量的一个小使用,无论是自旋锁本身还是原子量都还有许多值得探究的地方。
总结
以上就是这篇文章的全部内容了,希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,如果有疑问大家可以留言交流,谢谢大家对我们的支持。