多核与异步并行

我们在设计多线程程序时往往有很多性能指标,例如低延迟(latency),高吞吐量(throughput),高响应度(responsiveness)等。随着多核处理器上CPU核数的日益增加,如何高效地利用这些计算资源以满足这些设计目标变得越来越重要。这次向大家介绍的异步并行就是一种帮助实现低延迟、高吞吐量和高响应度的并行编程技术。

原文发表于《程序员》杂志2012年第9期,文字略有修改。

我们在设计多线程程序时往往有很多性能指标,例如低延迟(latency),高吞吐量(throughput),高响应度(responsiveness)等。随着多核处理器上CPU核数的日益增加,如何高效地利用这些计算资源以满足这些设计目标变得越来越重要。这次向大家介绍的异步并行就是一种帮助实现低延迟、高吞吐量和高响应度的并行编程技术。

让我们先来看这样一个例子。在下面的程序中,我们有一个do_something()的API,这个函数实现了将一个文件写入磁盘的功能,所以改函数比较耗时。在调用这个函数时,最简单的用法是对该函数进行同步调用,即下面程序中caller1()所采用的方式。这种写法带来的问题是,caller1需要阻塞等待do_something()的完成,期间CPU不能做任何其他的计算,从而导致CPU资源的空闲。与此相反,程序中的caller2就采用了异步调用do_something()的方式。这样,caller2在将异步调用do_something的命令发送给worker线程之后,就可以立刻返回并开始执行other_work(),不仅能将other_work()提前完成,更提高了CPU利用率。

int do_something(doc)
{
    return write_document(doc); // 耗时的I/O写操作
}

void caller1(doc) {
   result = do_something(doc); //同步调用do_something()
   other_work(); //这个操作需要等待do_something()的完成
   more_other_work();
}
void caller2() {
   worker.send(do_something_msg());//异步调用do_something()
   other_work(); //这个操作不需要等待do_something()的完成,因此提高了CPU的利用率
   more_other_work();
}

在现代计算机体系结构中,I/O设备的速度远远比不上CPU,我们在做计算时一个基本的设计原则就是在CPU等待I/O请求的同时,用足够多的计算任务将CPU跑满,从而掩盖掉I/O请求造成的延迟。在单核时代,我们使用Multiplexing的方式将I/O任务与计算任务重叠在一起进而提高程序性能,即一个进程如果进入I/O等待,操作系统会将该进程放入等待队列,并调度执行另一个进程的计算任务;多核时代来临之后,CPU上的计算资源变得越来越多,通过使用异步并行技术充分利用CPU的计算资源,提升应用程序的延迟性、吞吐量、响应度也变得越来越普遍。下面让我们通过几个典型应用来对异步并行做更多的介绍。

GUI线程的异步并行设计

GUI线程是采用异步并行设计来提高响应度的一个经典例子。一个GUI程序的典型结构是使用一个循环来处理诸如用户点击了某个按钮、系统产生了一个中断等事件。许多GUI系统还提供了诸如优先级队列等数据结构以保证优先级高的事件能得到及时的相应。下例是一个典型的GUI系统伪代码:

while( message = queue.receive() ) {
  if( it is a "保存文件" request ) {
    save_document(); // 这是一个会产生阻塞的同步调用
  }
  else if( it's a "打印文档" request ) {
    print_document(); // 这是一个会产生阻塞的同步调用
  }
else
  ...
}

这个程序有一个非常常见的性能bug:它对save_document()和print_document()这两个非常耗时的操作采用了同步调用的方式,这与GUI线程应该具备及时响应的设计初衷产生了直接矛盾。GUI线程的设计目标不仅仅是对相应的事件作出正确的响应,更重要的是这些响应必须非常及时。按照上面这个程序的逻辑,很可能会出现如下情况:用户在点击“保存文件”按钮之后,程序需要花费几秒钟才能完成save_document()调用,因此该程序在这几秒钟时间内都不能再对其他任何事件作出响应;而这时如果用户还想要调整窗口大小,这个操作在几秒钟之内都得不到响应,从而破坏用户体验。

一般来说,需要拥有高响应度的线程不应该直接执行可能带来延迟或阻塞的操作。可能带来延迟或阻塞的操作不仅仅包括保存文件、打印文件,还包括请求互斥锁、等待其他线程某个操作的完成等。

我们有三种方式来将耗时的操作从需要保持高响应度的线程中转移出去。下面让我们继续用GUI系统的例子来对这三种方法一一进行介绍,以分析它们各自适用的场景。

方式一:一个专用的工作线程

第一种将耗时操作从GUI线程中转移出去的方式是,使用一个专门的工作线程来异步地处理GUI线程发送的耗时操作请求。如下图所示,GUI线程依次将打印文档(PrintDocument)和保存文档(SaveDocument)两个异步请求发送给工作线程之后就立刻返回,从而继续对用户的其他请求做出及时的相应(例如调整窗口大小、编辑文档等);与此同时,工作线程依次对打印文档和保持文档进行顺序处理,并在并在该异步请求完成到某一进度时(或者该异步请求完成时)向GUI线程发送相应的通知信号。

图1. 使用专门的工作线程来处理GUI线程的异步请求
图1. 使用专门的工作线程来处理GUI线程的异步请求

让我们来看看这种处理方式的代码会长成什么样子:

// 第一种方式:使用一个专门的工作线程来处理GUI线程的异步请求
// GUI线程:
while( message = queue.receive() ) {
   if( it's a "保存文档" request ) {
      worker.send( new save_msg() ); // 发送异步请求
   }
   else if( it's a "保存文档" completion notification ) {
     display(“保存文档成功!”); // 接到异步请求的进度通知
   }
   else if( it's a "打印文档" request ) {
      worker.send( new print_msg() ); //发送异步请求
   }
   else if( it's a "打印文档" progress notification ) {
      if( percent < 100 ) // 接到异步请求的进度通知
         display_print_progress( percent );
      else
         display(“打印完毕!”);
   }
   else
   ...
}

// 工作线程:处理来自GUI线程的异步请求
while( message = workqueue.receive() ) {
   if( it's a "保存文档" request )
      save_document(); // 保存文档并在结束后向GUI线程发送通知
   else if( it's a "打印文档 " request )
      print_document(); // 打印文档并向GUI线程发送进度通知
   else
   ...
}

方式二:每一个异步请求分配一个工作线程

在第一种方法的基础之上,我们可以做一些相应的扩展:对每一个GUi线程的异步请求都分配一个专门的工作线程,而不是只用一个工作线程去处理所有异步请求。这个方式的好处很明显,异步请求被多个线程分别并行处理,因此提升了处理速度。值得注意的是,我们需要及时对这些工作线程进行垃圾回收操作,否则大量线程会造成内存资源的紧张。

图2. 为每个GUI线程的异步请求分配一个工作线程
图2. 为每个GUI线程的异步请求分配一个工作线程

这种模式的代码如下所示。因为对每个异步请求我们都启动一个新的线程,我们可以充分地利用多核的计算资源,更快地完成相应的任务。

// 方式二:每一个异步请求分配一个线程
while( message = queue.receive() ) {
   if( it's a "保存文档" request ) {
      ...  new Thread( [] { save_dcument(); } ); // 启动新线程对异步请求进行处理
   }
   else if( it's a "打印文档" request ) {
      … new Thread( [] { print_document(); } );/ // 启动新线程对异步请求进行处理
   }
   else if( it's a "保存文档" notification ) { ... }
                                      // 同方式一
   else if( it's a "打印文档" progress notification ) { ... }
                                      // 同方式一
   else
      ...
}

方式三:使用线程池来处理异步请求

第三种方式更进了一步:我们可以根据多核硬件资源的多少来启动一个专门的线程池,用线程池来完成GUI线程的异步请求。这种方式的好处在于,我们可以在充分利用多核的硬件资源,以及并行地对异步请求进行高效处理间取得一个很好的平衡。该方式的工作示意图如下所示:

图3. 使用线程池来处理GUI线程的异步请求
图3. 使用线程池来处理GUI线程的异步请求

让我们来看一下这种方式的伪代码。需要注意的是,线程池的具体实现每个语言各有不同,因此下面的代码只供大家参考之用。

// 方式三:使用线程池来处理异步请求
while( message = queue.receive() ) {
if( it's a "保存文档" request ) {
pool.run( [] { save_document(); } ); // 线程池的异步调用
}
else if( it's a "打印文档" request ) {
pool.run( [] { print_document(); } ); //线程池的异步调用
}
else if( it's a "保存文档" notification ) { ... }
// 同前
else if( it's a "打印文档" progress notification ) {  ... }
// 同前
else
...
}

Grand Central Dispatch的异步并行

Grand Central Dispatch(GCD)是苹果于Mac OS X 10.6和iOS4中发布的一项并行编程技术。对使用GCD的程序员来说,只需要将需要被处理的任务块丢到一个全局的任务队列中去就可以了,这个任务队列中的任务会由操作系统自动地分配和调度多个线程来进行并行处理。将需要被处理的任务块插入到任务队列中去有两种方式:同步插入和异步插入。

让我们来看看一个使用GCD异步并行的实例。在下面的程序中,analyzeDocument函数需要完成的功能是对这个文档的字数和段落数进行相关统计。在分析一个很小的文档时,这个函数可能非常快就能执行完毕,因此在主线程中同步调用这个函数也不会有很大的性能问题。但是,如果这个文件非常的大,这个函数可能变得非常耗时,而如果仍然在主线程中同步调用该方法,就可能带来很大的性能延迟,从而影响用户体验。

// 不使用GCD的版本
- (IBAction)analyzeDocument:(NSButton *)sender {
    NSDictionary *stats = [myDoc analyze];
    [myModel setDict:stats];
    [myStatsView setNeedsDisplay:YES];
    [stats release];
}

使用GCD的异步并行机制来优化这个函数非常简单。如下所示,我们只需要在原来的代码基础上,先通过dispatch_get_global_queue来获取全局队列的引用,然后再将任务块通过dispatch_async方法插入该队列即可。任务块的执行会交由操作系统去处理,并在该任务块完成时通知主线程。一般来讲,异步插入的方式拥有更高的性能,因为在插入任务之后dispatch_async可以直接返回,不需要进行额外等待。

//使用GCD异步并行的版本
- (IBAction)analyzeDocument:(NSButton *)sender
{
dispatch_queue_t queue = dispatch_get_global_queue(DISPATCH_QUEUE_PRIORITY_HIGH, 0ul);
dispatch_async(queue, ^{
         NSDictionary *stats = [myDoc analyze];
         [myModel setDict:stats];
         [myStatsView setNeedsDisplay:YES];
         [stats release];
     });
}

总结

本文对多核编程时常用的异步并行技术做了相关介绍。通过使用异步并行技术,我们可以将比较耗时的操作交给其他线程去处理,主线程因此可以去处理其他有意义的计算任务(例如相应用户的其他请求,完成其他计算任务等),从而有效提高系统的延迟性、吞吐率和响应性。

并行编程中的“锁”难题

注:本文发表于《程序员》2011年第8期并行编程专栏,略有删改。

在并行程序中,锁的使用会主要会引发两类难题:一类是诸如死锁、活锁等引起的多线程Bug;另一类是由锁竞争引起的性能瓶颈。本文将介绍并行编程中因为锁引发的这两类难题及其解决方案。

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注:本文发表于《程序员》2011年第8期并行编程专栏,略有删改。

在并行程序中,锁的使用会主要会引发两类难题:一类是诸如死锁、活锁等引起的多线程Bug;另一类是由锁竞争引起的性能瓶颈。本文将介绍并行编程中因为锁引发的这两类难题及其解决方案。

1. 用锁来防止数据竞跑

在进行并行编程时,我们常常需要使用锁来保护共享变量,以防止多个线程同时对该变量进行更新时产生数据竞跑(Data Race)。所谓数据竞跑,是指当两个(或多个)线程同时对某个共享变量进行操作,且这些操作中至少有一个是写操作时所造成的程序错误。例1中的两个线程可能同时执行“counter++”从而产生数据竞跑,造成counter最终值为1(而不是正确值2)。
例1:

#include <pthread.h>
int counter = 0;
void *func(void *params)
{
    counter++; //数据竞跑
}
void main()
{
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_create(&thread1, 0, func, 0);
    pthread_create(&thread2, 0, func, 0);
    pthread_join(thread1, 0 );
    pthread_join(thread2, 0 );
}

这是因为counter++本身是由三条汇编指令构成的(从主存中将counter的值读到寄存器中;对寄存器进行加1操作;将寄存器中的新值写回主存),所以例1中的两个线程可能按如下交错顺序执行,导致counter的最终值为1:
例2:

load [%counter], rax; // 线程1从counter读取0到寄存器rax
add rax, 1; // 线程1对寄存器rax进行加1
load [%counter], rbx; // 线程2从counter读取0到寄存器rbx
store rax [%counter]; // 线程1把1写入counter的主存地址
add rbx, 1; // 线程2对寄存器rbx进行加1
store rbx, [%counter]; // 线程2把1写入counter的主存地址

为了防止例1中的数据竞跑现象,我们可以使用锁来保证每个线程对counter++操作的独占访问(即保证该操作是原子的)。在例3的程序中,我们使用mutex锁将counter++操作放入临界区中,这样同一时刻只有获取锁的线程能访问该临界区,保证了counter++的原子性:即只有在线程1执行完counter++的三条指令之后线程2才能执行counter++操作,保证了counter的最终值必定为2。
例3:

#include <pthread.h>
int counter = 0;
pthread_mutex_t mutex;
void *func(void *params)
{
    pthread_mutex_lock(&mutex);
    counter++; //处于临界区,不会产生数据竞跑
    pthread_mutex_unlock(&mutex);
}
void main()
{
    pthread_t thread1, thread2;
    pthread_mutex_init(&mutex);
    pthread_create(&thread1, 0, func, 0);
    pthread_create(&thread2, 0, func, 0);
    pthread_join(thread1, 0 );
    pthread_join(thread2, 0 );
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
}

2. 死锁和活锁

然而,锁的使用非常容易导致多线程Bug,最常见的莫过于死锁和活锁。从原理上讲,死锁的产生是由于两个(或多个)线程在试图获取正被其他线程占有的资源时造成的线程停滞。在下例中,假设线程1在获取mutex_a锁之后正在尝试获取mutex_b锁,而线程2此时已经获取了mutex_b锁并正在尝试获取mutex_a锁,两个线程就会因为获取不到自己想要的资源、且自己正占有着对方想要的资源而停滞,从而产生死锁。
例4:

// 线程 1 					
void func1() 					
{ 						
    LOCK(&mutex_a); 	    	 		 
    LOCK(&mutex_b);//线程1停滞在此 		 
    counter++; 				    	 
    UNLOCK(&mutex_b); 	    	 		  
    UNLOCK(&mutex_a); 	    	 		 
} 						

// 线程 2
void func2()
{
    LOCK(&mutex_b);
    LOCK(&mutex_a);//线程2停滞在此
    counter++;
    UNLOCK(&mutex_a);
    UNLOCK(&mutex_b);
}

例4中的死锁其实是最简单的情形,在实际的程序中,死锁往往发生在复杂的函数调用过程中。在下面这个例子中,线程1在func1()中获取了mutex_a锁,之后调用func_call1()并在其函数体中尝试获取mutex_b锁;与此同时线程2在func2()中获取了mutex_b锁之后再在func_call2()中尝试获取mutex_a锁从而造成死锁。可以想象,随着程序复杂度的增加,想要正确的检测出死锁会变得越来越困难。
例5:

// 线程 1 					
void func1() 					
{ 						
LOCK(&mutex_a); 	    	 		 
...						
func_call1();			 	 
UNLOCK(&mutex_a); 	 		   	 
}						

func_call1()					
{						
   LOCK(&mutex_b);		 		 
   ...						 
   UNLOCK(&mutex_b);				 
   ...						 
}						

// 线程 2
void func2()
{
    LOCK(&mutex_b);
    ...
    func_call2()
    UNLOCK(&mutex_b);
}

func_call2()
{
    LOCK(&mutex_a);
    ...
    UNLOCK(&mutex_b);
    ...
}

其实避免死锁的方法非常简单,其基本原则就是保证各个线程加锁操作的执行顺序是全局一致的。例如,如果上例中的线程1和线程2都是先对mutex_a加锁再对mutex_b进行加锁就不会产生死锁了。在实际的软件开发中,除了严格遵守相同加锁顺序的原则防止死锁之外,我们还可以使用RAII(Resource Acquisition Is Initialization,即“资源获取即初始化”)的手段来封装加锁解锁操作,从而帮助减少死锁的发生[1]。

除死锁外,多个线程的加锁、解锁操作还可能造成活锁。在下例中,程序员为了防止死锁的产生而做了如下处理:当线程1在获取了mutex_a锁之后再尝试获取mutex_b时,线程1通过调用一个非阻塞的加锁操作(类似pthread_mutex_trylock)来尝试进行获得mutex_b:如果线程1成功获得mutex_b,则trylock()加锁成功并返回true,如果失败则返回false。线程2也使用了类似的方法来保证不会出现死锁。不幸的是,这种方法虽然防止了死锁的产生,却可能造成活锁。例如,在线程1获得mutex_a锁之后尝试获取mutex_b失败,则线程1会释放mutex_a并进入下一次while循环;如果此时线程2在线程1进行TRYLOCK(&mutex_b)的同时执行TRYLOCK(&mutex_a),那么线程2也会获取mutex_a失败,并接着释放mutex_b及进入下一次while循环;如此反复,两个线程都可能在较长时间内不停的进行“获得一把锁、尝试获取另一把锁失败、再解锁之前已获得的锁“的循环,从而产生活锁现象。当然,在实际情况中,因为多个线程之间调度的不确定性,最终必定会有一个线程能同时获得两个锁,从而结束活锁。尽管如此,活锁现象确实会产生不必要的性能延迟,所以需要大家格外注意。
例6:

// 线程 1 					
void func1() 					
{ 						
    int done = 0;					
    while(!done) {				 
        LOCK(&mutex_a); 	    	   		 
        if (TRYLOCK(&mutex_b)) {		 	   
            counter++; 				     
            UNLOCK(&mutex_b); 	    	     	     
            UNLOCK(&mutex_a); 	    	     	     
            done = 1;					     
        }						   
        else {					   
            UNLOCK(&mutex_a);		     	    
        }						   
    }						 
} 						

// 线程 2
void func2()
{
    int done = 0;
    while(!done) {
        LOCK(&mutex_b);
        if (TRYLOCK(&mutex_a)) {
            counter++;
            UNLOCK(&mutex_a);
            UNLOCK(&mutex_b);
            done = 1; 
        }
        else {
            UNLOCK(&mutex_b);
        }
    }
}

3. 锁竞争性能瓶颈

在多线程程序中锁竞争是最主要的性能瓶颈之一。在前面我们也提到过,通过使用锁来保护共享变量能防止数据竞跑,保证同一时刻只能有一个线程访问该临界区。但是我们也注意到,正是因为锁造成的对临界区的串行执行导致了并行程序的性能瓶颈。

3.1阿姆达尔法则(Amdahl’s Law)

在介绍锁竞争引起的性能瓶颈之前,让我们先来了解一下阿姆达尔法则。我们知道,一个并行程序是由两部分组成的:串行执行的部分和可以并行执行的部分。假设串行部分的执行时间为S,可并行执行部分的执行时间为P,则整个并行程序使用单线程(单核)串行执行的时间为S+P。阿姆达尔法则规定,可并行执行部分的执行时间与线程数目成反比:即如果有N个线程(N核CPU)并行执行这个可并行的部分,则该部分的执行时间为P/N。由此我们可以得到并行程序总体执行时间的公式:

总体执行时间T = S + P/N

根据这个公式,我们可以得到一些非常有意思的结论。例如,如果一个程序全部代码都可以被并行执行,那么它的加速比会非常好,即随着线程数(CPU核数)的增多该程序的加速比会线性递增。换句话说,如果单线程执行该程序需要16秒钟,用16个线程执行该程序就只需要1秒钟。
然而,如果这个程序只有80%的代码可以被并行执行,它的加速比却会急剧下降。根据阿姆达尔法则,如果用16个线程并行执行次程序可并行的部分,该程序的总体执行时间T = S + P/N = (16*0.2) + (16*0.8)/16 = 4秒,这比完全并行化的情况(只需1秒)足足慢了4倍!实际上,如果该程序只有50%的代码可以被并行执行,在使用16个线程时该程序的执行时间仍然需要8.5秒!
从阿姆达尔法则我们可以看到,并行程序的性能很大程度上被只能串行执行的部分给限制住了,而由锁竞争引起的串行执行正是造成串行性能瓶颈的主要原因之一。

3.2锁竞争的常用解决办法

3.2.1 避免使用锁

为了提高程序的并行性,最好的办法自然是不使用锁。从设计角度上来讲,锁的使用无非是为了保护共享资源。如果我们可以避免使用共享资源的话那自然就避免了锁竞争造成的性能损失。幸运的是,在很多情况下我们都可以通过资源复制的方法让每个线程都拥有一份该资源的副本,从而避免资源的共享。如果有需要的话,我们也可以让每个线程先访问自己的资源副本,只在程序的后讲各个线程的资源副本合并成一个共享资源。例如,如果我们需要在多线程程序中使用计数器,那么我们可以让每个线程先维护一个自己的计数器,只在程序的最后将各个计数器两两归并(类比二叉树),从而最大程度提高并行度,减少锁竞争。

3.2.2 使用读写锁

如果对共享资源的访问多数为读操作,少数为写操作,而且写操作的时间非常短,我们就可以考虑使用读写锁来减少锁竞争。读写锁的基本原则是同一时刻多个读线程可以同时拥有读者锁并进行读操作;另一方面,同一时刻只有一个写进程可以拥有写者锁并进行写操作。读者锁和写者锁各自维护一份等待队列。当拥有写者锁的写进程释放写者锁时,所有正处于读者锁等待队列里的读线程全部被唤醒并被授予读者锁以进行读操作;当这些读线程完成读操作并释放读者锁时,写者锁中的第一个写进程被唤醒并被授予写者锁以进行写操作,如此反复。换句话说,多个读线程和一个写线程将交替拥有读写锁以完成相应操作。这里需要额外补充的一点是锁的公平调度问题。例如,如果在写者锁等待队列中有一个或多个写线程正在等待获得写者锁时,新加入的读线程会被放入读者锁的等待队列。这是因为,尽管这个新加入的读线程能与正在进行读操作的那些读线程并发读取共享资源,但是也不能赋予他们读权限,这样就防止了写线程被新到来的读线程无休止的阻塞。
需要注意的是,并不是所有的场合读写锁都具备更好的性能,大家应该根据Profling的测试结果来判断使用读写锁是否能真的提高性能,特别是要注意写操作虽然很少但很耗时的情况。

3.2.3 保护数据而不是操作

在实际程序中,有不少程序员在使用锁时图方便而把一些不必要的操作放在临界区中。例如,如果需要对一个共享数据结构进行删除和销毁操作,我们只需要把删除操作放在临界区中即可,资源销毁操作完全可以在临界区之外单独进行,以此增加并行度。
正是因为临界区的执行时间大大影响了并行程序的整体性能,我们必须尽量少在临界区中做耗时的操作,例如函数调用,数据查询,I/O操作等。简而言之,我们需要保护的只是那些共享资源,而不是对这些共享资源的操作,尽可能的把对共享资源的操作放到临界区之外执行有助于减少锁竞争带来的性能损失。

3.2.4 尽量使用轻量级的原子操作

在例3中,我们使用了mutex锁来保护counter++操作。实际上,counter++操作完全可以使用更轻量级的原子操作来实现,根本不需要使用mutex锁这样相对较昂贵的机制来实现。在今年程序员第四期的《volatile与多线程的那些事儿》中我们就有对Java和C/C++中的原子操作做过相应的介绍。

3.2.5 粗粒度锁与细粒度锁

为了减少串行部分的执行时间,我们可以通过把单个锁拆成多个锁的办法来较小临界区的执行时间,从而降低锁竞争的性能损耗,即把“粗粒度锁”转换成“细粒度锁”。但是,细粒度锁并不一定更好。这是因为粗粒度锁编程简单,不易出现死锁等Bug,而细粒度锁编程复杂,容易出错;而且锁的使用是有开销的(例如一个加锁操作一般需要100个CPU时钟周期),使用多个细粒度的锁无疑会增加加锁解锁操作的开销。在实际编程中,我们往往需要从编程复杂度、性能等多个方面来权衡自己的设计方案。事实上,在计算机系统设计领域,没有哪种设计是没有缺点的,只有仔细权衡不同方案的利弊才能得到最适合自己当前需求的解决办法。例如,Linux内核在初期使用了Big Kernel Lock(粗粒度锁)来实现并行化。从性能上来讲,使用一个大锁把所有操作都保护起来无疑带来了很大的性能损失,但是它却极大的简化了并行整个内核的难度。当然,随着Linux内核的发展,Big Kernel Lock已经逐渐消失并被细粒度锁而取代,以取得更好的性能。

3.2.6 使用无锁算法、数据结构

首先要强调的是,笔者并不推荐大家自己去实现无锁算法。为什么别去造无锁算法的轮子呢?因为高性能无锁算法的正确实现实在是太难了。有多难呢?Doug Lea提到java.util.concurrent库中一个Non Blocking的算法的实现大概需要1个人年,总共约500行代码。事实上,我推荐大家直接去使用一些并行库中已经实现好了的无锁算法、无锁数据结构,以提高并行程序的性能。典型的无锁算法的库有java.util.concurrent,Intel TBB等,它们都提供了诸如Non-blocking concurrent queue之类的数据结构以供使用。

参考

[1] 陈硕.多线程服务器的常用编程模型.
[2] Darryl Gove. Multicore Application Programming
[3] 并行实验室. 多线程队列的算法优化.

剖析为什么在多核多线程程序中要慎用volatile关键字?

这篇文章详细剖析了为什么在多核时代进行多线程编程时需要慎用volatile关键字。

主要内容有:
1. C/C++中的volatile关键字
2. Visual Studio对C/C++中volatile关键字的扩展
3. Java/.NET中的volatile关键字
4. Memory Model(内存模型)
5. Volatile使用建议

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这篇文章详细剖析了为什么在多核时代进行多线程编程时需要慎用volatile关键字。

主要内容有:
1. C/C++中的volatile关键字
2. Visual Studio对C/C++中volatile关键字的扩展
3. Java/.NET中的volatile关键字
4. Memory Model(内存模型)
5. Volatile使用建议

1. C/C++中的volatile关键字

1.1 传统用途

C/C++作为系统级语言,它们与硬件的联系是很紧密的。volatile的意思是“易变的”,这个关键字最早就是为了针对那些“异常”的内存操作而准备的。它的效果是让编译器不要对这个变量的读写操作做任何优化,每次读的时候都直接去该变量的内存地址中去读,每次写的时候都直接写到该变量的内存地址中去,即不做任何缓存优化。它经常用在需要处理中断的嵌入式系统中,其典型的应用有下面几种:

a. 避免用通用寄存器对内存读写的优化。编译器常做的一种优化就是:把常用变量的频繁读写弄到通用寄存器中,最后不用的时候再存回内存中。但是如果某个内存地址中的值是由片外决定的(例如另一个线程或是另一个设备可能更改它),那就需要volatile关键字了。(感谢Kenny老师指正)
b. 硬件寄存器可能被其他设备改变的情况。例如一个嵌入式板子上的某个寄存器直接与一个测试仪器连在一起,这样在这个寄存器的值随时可能被那个测试仪器更改。在这种情况下如果把该值设为volatile属性的,那么编译器就会每次都直接从内存中去取这个值的最新值,而不是自作聪明的把这个值保留在缓存中而导致读不到最新的那个被其他设备写入的新值。
c. 同一个物理内存地址M有两个不同的内存地址的情况。例如两个程序同时对同一个物理地址进行读写,那么编译器就不能假设这个地址只会有一个程序访问而做缓存优化,所以程序员在这种情况下也需要把它定义为volatile的。

1.2 多线程程序中的错误用法

看到这里,很多朋友自然会想到:恩,那么如果是两个线程需要同时访问一个共享变量,为了让其中两个线程每次都能读到这个变量的最新值,我们就把它定义为volatile的就好了嘛!我想这个就是多线程程序中volatile之所以引起那么多争议的最大原因。可惜的是,这个想法是错误的。

举例来说,想用volatile变量来做同步(例如一个flag)?错!为什么?很简单,虽然volatile意味着每次读和写都是直接去内存地址中去操作,但是volatile在C/C++现有标准中即不能保证原子性(Atomicity)也不能保证顺序性(Ordering),所以几乎所有试图用volatile来进行多线程同步的方案都是错的。我之前一篇文章介绍了Sequential Consistency模型(后面简称SC),它其实就是我们印象中多线程程序应该有的执行顺序。但是,SC最大的问题是性能太低了,因为CPU/编译器完全没有必要严格按代码规定的顺序(program order)来执行每一条指令。学过体系结构的同学应该知道不管是编译器也好CPU也好,他们最擅长做的事情就是帮你做乱序优化。在串行时代这些乱序优化对程序员来说都是透明的,封装好了的,你不用关心它们到底给你乱序成啥样了,因为它们会保证优化后的程序的运行结果跟你写程序时预期的结果是一模一样的。但是进入多核时代之后,CPU和编译器还会继续做那些串行时代的优化,更重要的是这些优化还会打破你多线程程序的SC模型语义,从而使得多线程程序的实际运行结果与我们所期待的运行结果不一致!

拿X86来说,它的多核内存模型没有严格执行SC,即属于weak ordering(或者叫relax ordering?)。它唯一允许的乱序优化是可以把对不同地址的load操作提到store之前去(即把store x->load y乱序优化成load y -> store x)。而store x -> store y、load x -> load y,以及load y -> store x不允许交换执行顺序。在X86这样的内存模型下,volatile关键字根本就不能保证对不同volatile变量x和y的store x -> load y的操作不会被CPU乱序优化成load y -> store x。

而对多线程读写操作的原子性来说,诸如volatile x=1这样的写操作的原子性其实是由X86硬件保证的,跟volatile没有任何关系。事实上,volatile根本不能保证对没有内存对齐的变量(或者超出机器字长的变量)的读写操作的原子性。

为了有个更直观的理解,我们来看看CPU的乱序优化是如何让volatile在多线程程序中显得如此无力的。下面这个著名的Dekker算法是想用flag1/2和turn来实现两个线程情况下的临界区互斥访问。这个算法关键就在于对flag1/2和turn的读操作(load)是在其写操作(store)之后的,因此这个多线程算法能保证dekker1和dekker2中对gSharedCounter++的操作是互斥的,即等于是把gSharedCounter++放到临界区里去了。但是,多核X86可能会对这个store->load操作做乱序优化,例如dekker1中对flag2的读操作可能会被提到对flag1和turn的写操作之前,这样就会最终导致临界区的互斥访问失效,而gSharedCounter++也会因此产生data race从而出现错误的计算结果。那么为什么多核CPU会对多线程程序做这样的乱序优化呢?因为从单线程的视角来看flag2和flag1、turn是没有依赖关系的,所以CPU当然可以对他们进行乱序优化以便充分利用好CPU里面的流水线(想了解更多细节请参考计算机体系结构相关书籍)。这样的优化虽然从单线程角度来讲没有错,但是它却违反了我们设计这个多线程算法时所期望的那个多线程语义。(想要解决这个bug就需要自己手动添加memory barrier,或者干脆别去实现这样的算法,而是使用类似pthread_mutex_lock这样的库函数,后面我会再讲到这点)

当然,对不同的CPU来说他们的内存模型是不同的。比如说,如果这个程序是在单核上以多线程的方式执行那么它肯定不会出错,因为单核CPU的内存模型是符合SC的。而在例如PowerPC,ARM之类的架构上运行结果到底如何就得去翻它们的硬件手册中内存模型是怎么定义的了。

/*
 * Dekker's algorithm, implemented on pthreads
 *
 * To use as a test to see if/when we can make
 * memory consistency play games with us in 
 * practice. 
 *
 * Compile: gcc -O2 -o dekker dekker.c -lpthread
 * Source: http://jakob.engbloms.se/archives/65
 */ 

#include <assert.h>
#include <pthread.h>
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>

#undef PRINT_PROGRESS 

static volatile int flag1 = 0;
static volatile int flag2 = 0;
static volatile int turn  = 1;
static volatile int gSharedCounter = 0;
int gLoopCount;
int gOnePercent;

void dekker1( ) {
        flag1 = 1;
        turn  = 2;
        while((flag2 ==  1) && (turn == 2)) ;
        // Critical section
        gSharedCounter++;
        // Let the other task run
        flag1 = 0;
}

void dekker2(void) {
        flag2 = 1;
        turn = 1;
        while((flag1 ==  1) && (turn == 1)) ;
        // critical section
        gSharedCounter++;        
        // leave critical section
        flag2 = 0;
}

//
// Tasks, as a level of indirection
//
void *task1(void *arg) {
        int i,j;
        printf("Starting task1\n");
        // Do the dekker very many times
#ifdef PRINT_PROGRESS
	for(i=0;i<100;i++) {
	  printf("[One] at %d%%\n",i);
	  for(j=gOnePercent;j>0;j--) {
	    dekker1();
	  }
	}
#else
	// Simple basic loop
        for(i=gLoopCount;i>0;i--) {
                dekker1();
        }
#endif

}

void *task2(void *arg) {
        int i,j;
        printf("Starting task2\n");
#ifdef PRINT_PROGRESS
	for(i=0;i<100;i++) {
	  printf("[Two] at %d%%\n",i);
	  for(j=gOnePercent;j>0;j--) {
	    dekker2();
	  }
	}
#else
        for(i=gLoopCount;i>0;i--) {
                dekker2();
        }
#endif
}

int
main(int argc, char ** argv)
{
        int            loopCount = 0;
        pthread_t      dekker_thread_1;
        pthread_t      dekker_thread_2;
        void           * returnCode;
        int            result;
        int            expected_sum;

        /* Check arguments to program*/
        if(argc != 2) 
        {
                fprintf(stderr, "USAGE: %s <loopcount>\n", argv[0]);
                exit(1);
        }

        /* Parse argument */
        loopCount   = atoi(argv[1]);	/* Don't bother with format checking */
        gLoopCount  = loopCount;
	gOnePercent = loopCount/100;
        expected_sum = 2*loopCount;
        
        /* Start the threads */
        result = pthread_create(&dekker_thread_1, NULL, task1, NULL);
        result = pthread_create(&dekker_thread_2, NULL, task2, NULL);

        /* Wait for the threads to end */
        result = pthread_join(dekker_thread_1,&returnCode);
        result = pthread_join(dekker_thread_2,&returnCode);
        printf("Both threads terminated\n");

        /* Check result */
        if( gSharedCounter != expected_sum ) {
                printf("[-] Dekker did not work, sum %d rather than %d.\n", gSharedCounter, expected_sum);
                printf("    %d missed updates due to memory consistency races.\n", (expected_sum-gSharedCounter));
                return 1;
        } else {
                printf("[+] Dekker worked.\n");
                return 0;
        }
}

2. Visual Studio对C/C++中volatile关键字的扩展

虽然C/C++中的volatile关键字没有对ordering做任何保证,但是微软从Visual Studio 2005开始就对volatile关键字添加了同步语义(保证ordering),即:对volatile变量的读操作具有acquire语义,对volatile变量的写操作具有release语义。Acquire和Release语义是来自data-race-free模型的概念。为了理解这个acquire语义和release语义有什么作用,我们来看看MSDN中的一个例子

// volatile.cpp
// compile with: /EHsc /O2
// Output: Critical Data = 1 Success
#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;

volatile bool Sentinel = true;
int CriticalData = 0;

unsigned ThreadFunc1( void* pArguments ) {
   while (Sentinel)
      Sleep(0);   // volatile spin lock

   // CriticalData load guaranteed after every load of Sentinel
   cout << "Critical Data = " << CriticalData << endl;
   return 0;
} 

unsigned  ThreadFunc2( void* pArguments ) {
   Sleep(2000);
   CriticalData++;   // guaranteed to occur before write to Sentinel
   Sentinel = false; // exit critical section
   return 0;
}

int main() {
   HANDLE hThread1, hThread2; 
   DWORD retCode;

   hThread1 = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)&ThreadFunc1,
      NULL, 0, NULL);
   hThread2 = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)&ThreadFunc2,
      NULL, 0, NULL);

   if (hThread1 == NULL || hThread2 == NULL)       {
      cout << "CreateThread failed." << endl; 
      return 1;
   }

   retCode = WaitForSingleObject(hThread1,3000);

   CloseHandle(hThread1);
   CloseHandle(hThread2);

   if (retCode == WAIT_OBJECT_0 && CriticalData == 1 )
      cout << "Success" << endl;
   else
      cout << "Failure" << endl;
}

例子中的 while (Sentinel) Sleep(0); // volatile spin lock 是对volatile变量的读操作,它具有acquire语义,acquire语义的隐义是当前线程在对sentinel的这个读操作之后的所有的对全局变量的访问都必须在该操作之后执行;同理,例子中的Sentinel = false; // exit critical section 是对volatile变量的写操作,它具有release语义,release语义的隐义是当前线程在对sentinel这个写操作之前的所有对全局变量的访问都必须在该操作之前执行完毕。所以ThreadFunc1()读CriticalData时必定已经在ThreadFunc2()执行完CriticalData++之后,即CriticalData最后输出的值必定为1。建议大家用纸画一下acquire/release来加深理解。一个比较形象的解释就是把acquire当成lock,把release当成unlock,它俩组成了一个临界区,所有临界区外面的操作都只能往这个里面移,但是临界区里面的操作都不能往外移,简单吧?

其实这个程序就相当于用volatile变量的acquire和release语义实现了一个临界区,在临界区内部的代码就是 Sleep(2000); CriticalData++; 或者更贴切点也可以看成是一对pthread_cond_wait和pthread_cond_signal。

这个volatile的acquire和release语义是VS自己的扩展,C/C++标准里是没有的,所以同样的代码用gcc编译执行结果就可能是错的,因为编译器/CPU可能做违反正确性的乱序优化。Acquire和release语义本质上就是为了保证程序执行时memory order的正确性。但是,虽然这个VS扩展使得volatile变量能保证ordering,它还是不能保证对volatile变量读写的原子性。事实上,如果我们的程序是跑在X86上面的话,内存对齐了的变量的读写的原子性是由硬件保证的,跟volatile没有任何关系。而像volatile g_nCnt++这样的语句本身就不是原子操作,想要保证这个操作是原子的,就必须使用带LOCK语义的++操作,具体请看我这篇文章

另外,VS生成的volatile变量的汇编代码是否真的调用了memory barrier也得看具体的硬件平台,例如x86上就不需要使用memory barrier也能保证acquire和release语义,因为X86硬件本身就有比较强的memory模型了,但是Itanium上面VS就会生成带memory barrier的汇编代码。具体可以参考这篇

但是,虽然VS对volatile关键字加入了acquire/release语义,有一种情况还是会出错,即我们之前看到的dekker算法的例子。这个其实蛮好理解的,因为读操作的acquire语义不允许在其之后的操作往前移,但是允许在其之前的操作往后移;同理,写操作的release语义允许在其之后的操作往前移,但是不允许在其之前的操作往后移;这样的话对一个volatile变量的读操作(acquire)当然可以放到对另一个volatile变量的写操作(release)之前了!Bug就是这样产生的!下面这个程序大家拿Visual Studio跑一下就会发现bug了(我试了VS2008和VS2010,都有这个bug)。多线程编程复杂吧?希望大家还没被弄晕,要是晕了的话也很正常,仔仔细细重新再看一遍吧:)

想解决这个Bug也很简单,直接在dekker1和dekker2中对flag1/flag2/turn赋值操作之后都分别加入full memory barrier就可以了,即保证load一定是在store之后执行即可。具体的我就不详述了。

#include <iostream>
#include <windows.h>
using namespace std;

static volatile int flag1 = 0;
static volatile int flag2 = 0;
static volatile int turn = 1; // must have "turn", otherwise the two threads might introduce deadlock at line 13&23 of "while..."
static int gCount = 0;

void dekker1() {
	flag1 = 1;
	turn = 2;
	while ((flag2 == 1) && (turn == 2));
	// critical section
	gCount++;
	flag1 = 0; 	// leave critical section
}

void dekker2() {
	flag2 = 1;
	turn = 1;
	while ((flag1 == 1) && (turn == 1));
	// critical setion
	gCount++;
	flag2 = 0; 	// leave critical section
}

unsigned ThreadFunc1( void* pArguments ) {
	int i;
	//cout << "Starting Thread 1" << endl;
	for (i=0;i<1000000;i++) {
		dekker1();
	}
	return 0;
} 

unsigned  ThreadFunc2( void* pArguments ) {
	int i;
	//cout << "Starting Thread 2" << endl;
	for (i=0;i<1000000;i++) {
		dekker2();
	}
	return 0;
}

int main() {
	HANDLE hThread1, hThread2;
	//DWORD retCode;

	hThread1 = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)&ThreadFunc1,
		NULL, 0, NULL);
	hThread2 = CreateThread(NULL, 0, (LPTHREAD_START_ROUTINE)&ThreadFunc2,
		NULL, 0, NULL);

	if (hThread1 == NULL || hThread2 == NULL) {
		cout << "CreateThread failed." << endl;
		return 1;
	}

	WaitForSingleObject(hThread1,INFINITE);
	WaitForSingleObject(hThread2,INFINITE);
	cout << gCount << endl;

	if (gCount == 2000000)
		cout << "Success" << endl;
	else
		cout << "Fail" << endl;
}

3. Java/.NET中的volatile关键字

3.1 多线程语义

Java和.NET分别有JVM和CLR这样的虚拟机,保证多线程的语义就容易多了。说简单点,Java和.NET中的volatile关键字也是限制虚拟机做优化,都具有acquire和release语义,而且由虚拟机直接保证了对volatile变量读写操作的原子性。 (volatile只保证可见性,不保证原子性。java中,对volatile修饰的long和double的读写就不是原子的 (http://java.sun.com/docs/books/jvms/second_edition/html /Threads.doc.html#22244),除此之外的基本类型和引用类型都是原子的。– 多谢liuchangit指正) 这里需要注意的一点是,Java和.NET里面的volatile没有对应于我们最开始提到的C/C++中对“异常操作”用volatile修饰的传统用法。原因很简单,Java和.NET的虚拟机对安全性的要求比C/C++高多了,它们才不允许不安全的“异常”访问存在呢。

而且像JVM/.NET这样的程序可移植性都非常好。虽然现在C++1x正在把多线程模型添加到标准中去,但是因为C++本身的性质导致它的硬件平台依赖性很高,可移植性不是特别好,所以在移植C/C++多线程程序时理解硬件平台的内存模型是非常重要的一件事情,它直接决定你这个程序是否会正确执行。

至于Java和.NET中是否也存在类似VS 2005那样的bug我没时间去测试,道理其实是相同的,真有需要的同学自己应该能测出来。好像这篇InfoQ的文章中显示Java运行这个dekker算法没有问题,因为JVM给它添加了mfence。另一个臭名昭著的例子就应该是Double-Checked Locking了。

3.2 volatile int与AtomicInteger区别

Java和.NET中这两者还是有些区别的,主要就是后者提供了类似incrementAndGet()这样的方法可以直接调用(保证了原子性),而如果是volatile x进行++操作则不是原子的。increaseAndGet()的实现调用了类似CAS这样的原子指令,所以能保证原子性,同时又不会像使用synchronized关键字一样损失很多性能,用来做全局计数器非常合适。

4. Memory Model(内存模型)

说了这么多,还是顺带介绍一下Memory Model吧。就像前面说的,CPU硬件有它自己的内存模型,不同的编程语言也有它自己的内存模型。如果用一句话来介绍什么是内存模型,我会说它就是程序员,编程语言和硬件之间的一个契约,它保证了共享的内存地址里的值在需要的时候是可见的。下次我会专门详细写一篇关于它的内容。它最大的作用是取得可编程性与性能优化之间的一个平衡。

5. volatile使用建议

总的来说,volatile关键字有两种用途:一个是ISO C/C++中用来处理“异常”内存行为(此用途只保证不让编译器做任何优化,对多核CPU是否会进行乱序优化没有任何约束力),另一种是在Java/.NET(包括Visual Studio添加的扩展)中用来实现高性能并行算法(此种用途通过使用memory barrier保证了CPU/编译器的ordering,以及通过JVM或者CLR保证了对该volatile变量读写操作的原子性)。

一句话,volatile对多线程编程是非常危险的,使用的时候千万要小心你的代码在多核上到底是不是按你所想的方式执行的,特别是对现在暂时还没有引入内存模型的C/C++程序更是如此。安全起见,大家还是用Pthreads,Java.util.concurrent,TBB等并行库提供的lock/spinlock,conditional variable, barrier, Atomic Variable之类的同步方法来干活的好,因为它们的内部实现都调用了相应的memory barrier来保证memory ordering,你只要保证你的多线程程序没有data race,那么它们就能帮你保证你的程序是正确的(是的,Pthreads库也是有它自己的内存模型的,只不过它的内存模型还些缺点,所以把多线程内存模型直接集成到C/C++中是更好的办法,也是将来的趋势,但是C++1x中将不会像Java/.NET一样给volatile关键字添加acquire和release语义,而是转而提供另一种具有同步语义的atomic variables,此为后话)。如果你想实现更高性能的lock free算法,或是使用volatile来进行同步,那么你就需要先把CPU和编程语言的memory model搞清楚,然后再时刻注意Atomicity和Ordering是否被保证了。(注意,用没有acquire/release语义的volatile变量来进行同步是错误的,但是你仍然可以在C/C++中用volatile来修饰一个不是用来做同步(例如一个event flag)而只是被不同线程读写的共享变量,只不过它的新值什么时候能被另一个线程读到是没有保证的,需要你自己做相应的处理)

Herb Sutter 在他的那篇volatile vs. volatile中对这两种用法做了很仔细的区分,我把其中两张表格链接贴过来供大家参考:

volatile的两种用途
volatile两种用途的异同

最后附上《Java Concurrency in Practice》3.1.4节中对Java语言的volatile关键字的使用建议(不要被英语吓到,这些内容确实对你有用,而且还能顺便帮练练英语,哈哈):

So from a memory visibility perspective, writing a volatile variable is like exiting a synchronized block and reading a volatile variable is like entering a synchronized block. However, we do not recommend relying too heavily on volatile variables for visibility; code that relies on volatile variables for visibility of arbitrary state is more fragile and harder to understand than code that uses locking.

Use volatile variables only when they simplify implementing and verifying your synchronization policy; avoid using volatile variables when veryfing correctness would require subtle reasoning about visibility. Good uses of volatile variables include ensuring the visibility of their own state, that of the object they refer to, or indicating that an important lifecycle event (such as initialization or shutdown) has occurred.

Locking can guarantee both visibility and atomicity; volatile variables can only guarantee visibility.

You can use volatile variables only when all the following criteria are met:
(1) Writes to the variable do not depend on its current value, or you can ensure that only a single thread ever updates the value;
(2) The variable does not participate in invariants with other state variables; and
(3) Locking is not required for any other reason while the variable is being accessed.

参考资料

1. 《Java Concurrency in Practice》3.1.4节
2. volatile vs. volatile(Herb Sutter对volatile的阐述,必看)
3. The “Double-Checked Locking is Broken” Declaration
4. Threading in C#
5. Volatile: Almost Useless for Multi-Threaded Programming
6. Memory Ordering in Modern Microprocessors
7. Memory Ordering @ Wikipedia
8. 内存屏障什么的
9. The memory model of x86
10. VC 下 volatile 变量能否建立 Memory Barrier 或并发锁
11. Sayonara volatile(Concurrent Programming on Windows作者的文章 跟我观点几乎一致)
12. Java 理论与实践: 正确使用 Volatile 变量
13. Java中的Volatile关键字

多线程程序常见Bug剖析(下)

上一篇文章我们专门针对违反原子性(Atomicity Violation)的多线程程序Bug做了剖析,现在我们再来看看另一种常见的多线程程序Bug:违反执行顺序(Ordering Violation)。

简单来说,多线程程序各个线程之间交错执行的顺序的不确定性(Non-deterministic)是造成违反执行顺序Bug的根源[注1]。正是因为这个原因,程序员在编写多线程程序时就不能假设程序会按照你设想的某个顺序去执行,而是应该充分考虑到各种可能的顺序组合,从而采取正确的同步措施。

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上一篇文章我们专门针对违反原子性(Atomicity Violation)的多线程程序Bug做了剖析,现在我们再来看看另一种常见的多线程程序Bug:违反执行顺序(Ordering Violation)。

简单来说,多线程程序各个线程之间交错执行的顺序的不确定性(Non-deterministic)是造成违反执行顺序Bug的根源[注1]。正是因为这个原因,程序员在编写多线程程序时就不能假设程序会按照你设想的某个顺序去执行,而是应该充分考虑到各种可能的顺序组合,从而采取正确的同步措施。

1. 违反执行顺序(Ordering Violation)

举例来说,下面这个来自Mozilla的多线程Bug产生的原因就是程序员错误地假设S1一定会在S2之前执行完毕,即在S2访问mThread之前S1一定已经完成了对mThread的初始化(因为线程2是由线程1创建的)。事实上线程2完全有可能执行的很快,而且S1这个初始化操作又不是原子的(因为需要几个时钟周期才能结束),从而在线程1完成初始化(即S1)之前就已经运行到S2从而导致Bug。

例1:
    Thread 1                                 Thread 2
void init(...)                           void mMain(...)
{ ...                                    { ...
 S1: mThread=                              ...
      PR_CreateThread(mMain, ...);         S2: mState = mThread->State;
  ...                                      ...
}                                        }

上面这个例子是一个线程读一个线程写的情况,除此之外还有违反写-写顺序以及违反一组读写顺序的情况。例如下面这个程序,程序员错误的以为S2(写操作)一定会在S4(也是写操作)之前执行。但是实际上这个程序完全有可能先执行S4后执行S2,从而导致线程1一直hang在S3处:

例2:
    Thread 1                                 Thread 2
int ReadWriteProc(...)                   void DoneWaiting(...)
{                                        {
  ...                                     /*callback func of PBReadAsync*/
 S1: PBReadAsync(&p);
 S2: io_pending = TRUE;                   ...
  ...                                     S4: io_pending = FALSE;
 S3: while (io_pending) {...}             ...
  ...                                    }
}

下面这个是违反一组读写操作顺序的例子:程序员假设S2一定会在S1之前执行,但是事实上可能S1在S2之前执行,从而导致程序crash。

例3:
    Thread 1                                 Thread 2
void js_DestroyContext(...){             void js_DestroyContext(...){
  /* last one entering this func */      /* non-last one entering this func */
  S1: js_UnpinPinnedAtom(&atoms);          S2: js_MarkAtom(&atoms,...);
}                                        }

调试违反执行顺序这种类型的Bug最困难的地方就在只有某几种执行顺序才会引发Bug,这大大降低了Bug重现的几率。最简单的调试手段自然是使用printf了,但是类似printf这样的函数会干扰程序的执行顺序,所以有可能违反执行顺序的Bug更难产生了。我所知道的目前最领先的商业多线程Debugger是Corensic的Jinx,他们的技术核心是用Hypervisor来控制线程的执行顺序以找出可能产生Bug的那些特定的执行顺序(学生、开源项目可以申请免费使用,Windows/Linux版均有)。八卦一下,这个公司是从U of Washington发展出来的,他们现在做的Deterministic Parallelism是最热门的方向之一。

2. Ordering Violation的解决方案

常见的解决方案主要有四种:
(1)加锁进行同步
加锁的目的就在于保证被锁住的操作的原子性,从而这些被锁住的操作就不会被别的线程的操作打断,在一定程度上保证了所需要的执行顺序。例如上面第二个例子可以给{S1,S2}一起加上锁,这样就不会出现S4打断S1,S2的情况了(即S1->S4->S2),因为S4是由S1引发的异步调用,S4肯定会在{S1,S2}这个原子操作执行完之后才能被运行。

(2)进行条件检查
进行条件检查是另一种常见的解决方案,关键就在于通过额外的条件语句来迫使该程序会按照你所想的方式执行。例如下面这个例子就会对n的值进行检查:

例4:
retry:
  n = block->n;
  ...
  ...
  if (n!=block->n)
  {
    goto retry;
  }
  ...

(3)调整代码执行顺序
这个也是很可行的方案,例如上面的例2不需要给{S1,S2}加锁,而是直接调换S2与S1的顺序,这样S2就一定会在S4之前执行了!

(4)重新设计算法/数据结构
还有一些执行顺序的问题可以通过重新设计算法/数据结构来解决。这个就得具体情况具体分析了。例如MySQL的bug #7209中,一个共享变量HASH::current_record的访问有顺序上的冲突,但是实际上这个变量不需要共享,所以最后的解决办法就是线程私有化这个变量。

3. 总结

多线程Bug确实是个非常让人头痛的问题。写多线程程序不难,难的在于写正确的多线程程序。多线程的debug现在仍然可以作为CS Top10学校的博士论文题目。在看过这两篇分析多线程常见Bug的文章之后,不知道各位同学有没有什么关于多线程Bug的经历与大家分享呢?欢迎大家留言:)

需要注意的是,违反执行顺序和违反原子性这两种Bug虽然是相互独立的,但是两者又有着潜在的联系。例如,上一篇文章中我所讲到的第一个违反原子性的例子其实是因为执行顺序的不确定性造成的,而本文的第二个例子就可以通过把{S1,S2}加锁保证原子性来保证想要的执行顺序。

参考

[1] Learning from Mistakes – A Comprehensive Study on Real World Concurrency Bug Characteristics
[2] Understanding, Detecting and Exposing Concurrency Bugs
[3] Practical Parallel and Concurrent Programming
[4] Java concurrency bug patterns for multicore systems

注1:严格来讲,多线程交错执行顺序的不确定性只是违反执行顺序Bug的原因之一。另一个可能造成违反执行顺序Bug的原因是编译器/CPU对代码做出的违反多线程程序语义的乱序优化,这种“错误的优化”直接引出了编程语言的内存模型(memory model)这个关键概念。后面我会专门分析下C++与Java的内存模型,敬请期待。

多线程程序常见Bug剖析(上)

编写多线程程序的第一准则是先保证正确性,再考虑优化性能。本文重点分析多线程编程中除死锁之外的两种常见Bug:违反原子性(Atomicity Violation)和违反执行顺序(Ordering Violation)。现在已经有很多检测多线程Bug的工具,但是这两种Bug还没有工具能完美地帮你检测出来,所以到目前为止最好的办法还是程序员自己有意识的避免这两种Bug。本文的目的就是帮助程序员了解这两种Bug的常见形式和常见解决办法。

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编写多线程程序的第一准则是先保证正确性,再考虑优化性能。本文重点分析多线程编程中除死锁之外的另两种常见Bug:违反原子性(Atomicity Violation)和违反执行顺序(Ordering Violation)。现在已经有很多检测多线程Bug的工具,但是这两种Bug还没有工具能完美地帮你检测出来,所以到目前为止最好的办法还是程序员自己有意识的避免这两种Bug。本文的目的就是帮助程序员了解这两种Bug的常见形式和常见解决办法。

1. 多线程程序执行模型

在剖析Bug之前,我们先来简单回顾一下多线程程序是怎么执行的。从程序员的角度来看,一个多线程程序的执行可以看成是每个子线程的指令交错在一起共同执行的,即Sequential Consistency模型。它有两个属性:每个线程内部的指令是按照代码指定的顺序执行的(Program Order),但是线程之间的交错顺序是任意的、不确定的(Non deterministic)。

我原来举过一个形象的例子。伸出你的双手,掌心面向你,两个手分别代表两个线程,从食指到小拇指的四根手指头分别代表每个线程要依次执行的四条指令。
(1)对每个手来说,它的四条指令的执行顺序必须是从食指执行到小拇指
(2)你两个手的八条指令(八个手指头)可以在满足(1)的条件下任意交错执行(例如可以是左1,左2,右1,右2,右3,左3,左4,右4,也可以是左1,左2,左3,左4,右1,右2,右3,右4,也可以是右1,右2,右3,左1,左2,右4,左3,左4等等等等)

好了,现在让我们来看看程序员在写多线程程序时是怎么犯错的。

2. 违反原子性(Atomicity Violation)

何谓原子性?简单的说就是不可被其他线程分割的操作。大部分程序员在编写多线程程序员时仍然是按照串行思维来思考,他们习惯性的认为一些简单的代码肯定是原子的。

例如:

	Thread 1						Thread 2
S1: if (thd->proc_info)				...
{							S3: thd->proc_info=NULL;
  S2: fputs(thd->proc_info,...)
}

这个来自MySQL的Bug的根源就在于程序员误认为,线程1在执行S1时如果从thd->proc_info读到的是一个非空的值的话,在执行S2时thd->proc_info的值肯定也还是非空的,所以可以调用fputs()进行操作。事实上,{S1,S2}组合到一起之后并不是原子操作,所以它们可能被线程2的S3打断,即按S1->S3->S2的顺序执行,从而导致线程1运行到S2时出错(注意,虽然这个Bug是因为多线程程序执行顺序的不确定性造成的,可是它违反的是程序员对这段代码是原子的期望,所以这个Bug不属于违反顺序性的Bug)。

这个例子的对象是两条语句,所以很容易看出来它们的组合不是原子的。事实上,有些看起来像是原子操作的代码其实也不是原子的。最著名的莫过于多个线程执行类似“x++”这样的操作了。这条语句本身不是原子的,因为它在大部分硬件平台上其实是由三条语句实现的:

mov eax,dword ptr [x]
add eax,1
mov dword ptr [x],eax

同样,下面这个“r.Location = p”也不是原子的,因为事实上它是两个操作:“r.Location.X = p.X”和“r.Location.Y = p.Y”组成的。

struct RoomPoint {
   public int X;
   public int Y;
}

RoomPoint p = new RoomPoint(2,3);
r.Location = p;

从根源上来讲,如果你想让这段代码真正按照你的心意来执行,你就得在脑子里仔细考虑是否会出现违反你本意的执行顺序,特别是涉及的变量(例如thd->proc_info)在其他线程中有可能被修改的情况,也就是数据竞争(Data Race)[注1]。如果有两个线程同时对同一个内存地址进行操作,而且它们之中至少有一个是写操作,数据竞争就发生了。

有时候数据竞争可是隐藏的很深的,例如下面的Parallel.For看似很正常:

Parallel.For(0, 10000, 
    i => {a[i] = new Foo();})

实际上,如果我们去看看Foo的实现:

class Foo {
	private static int counter;
	private int unique_id;
	public Foo()
       {
		unique_id = counter++;
       }
}

同志们,看出来哪里有数据竞争了么?是的,counter是静态变量,Foo()这个构造函数里面的counter++产生数据竞争了!想避免Atomicity Violation,其实根本上就是要保证没有数据竞争(Data Race Free)。

3. Atomicity Violation的解决方案

解决方案大致有三(可结合使用):
(1)把变量隔离起来:只有一个线程可以访问它(isolation)
(2)把变量的属性定义为immutable的:这样它就是只读的了(immutability)
(3)同步对这个变量的读写:比如用锁把它锁起来(synchronization)

例如下面这个例子里面x是immutable的;而a[]则通过index i隔离起来了,即不同线程处理a[]中不同的元素;

Parallel.For(1,1000, 
i => {
    a[i] = x;
});

例如下面这个例子在构造函数中给x和y赋值(此时别的线程不能访问它们),保证了isolation;一旦构造完毕x和y就是只读的了,保证了immutability。

public class Coordinate
{
   private double x, y;

   public Coordinate(double a,
                     double b)
   {
      x = a;
      y = b;
   }
   public void GetX() {
      return x; 
   }
   public void GetY() {
      return y; 
   }
}

而我最开始提到的关于thd->proc_info的Bug可以通过把S1和S2两条语句用锁包起来解决(同志们,千万别忘了给S3加同一把锁,要不然还是有Bug!)。被锁保护起来的临界区在别的线程看来就是“原子”的,不可以被打断的。

	Thread 1						Thread 2
LOCK(&lock)
S1: if (thd->proc_info)				LOCK(&lock);
{							S3: thd->proc_info=NULL;
  S2: fputs(thd->proc_info,...)		UNLOCK(&lock);
}
UNLOCK(&lock)

还有另一个用锁来同步的例子,即通过使用锁(Java中的synchronized关键字)来保证没有数据竞争:

“Java 5 中提供了 ConcurrentLinkedQueue 来简化并发操作。但是有一个问题:使用了这个类之后是否意味着我们不需要自己进行任何同步或加锁操作了呢?
也就是说,如果直接使用它提供的函数,比如:queue.add(obj); 或者 queue.poll(obj);,这样我们自己不需要做任何同步。”但是,两个原子操作合起来可就不一定是原子操作了(Atomic + Atomic != Atomic),例如:

if(!queue.isEmpty()) {  
   queue.poll(obj);  
}  

事实情况就是在调用isEmpty()之后,poll()之前,这个queue没有被其他线程修改是不确定的,所以对于这种情况,我们还是需要自己同步,用加锁的方式来保证原子性(虽然这样很损害性能):

synchronized(queue) {  
    if(!queue.isEmpty()) {  
       queue.poll(obj);  
    }  
}  

但是注意了,使用锁也会造成一堆Bug,死锁就先不说了,先看看初学者容易犯的一个错误(是的,我曾经也犯过这个错误),x在两个不同的临界区中被修改,加了锁跟没加一样,因为还是有数据竞争:

int x = 0;
pthread_mutex_t lock1;
pthread_mutex_t lock2;

pthread_mutex_lock(&lock1);
x++;
pthread_mutex_unlock(&lock1);
...
...
pthread_mutex_lock(&lock2);
x++;
pthread_mutex_unlock(&lock2);

事实上,类似x++这样的操作最好的解决办法就是使用类似java.util.concurrent.atomic,Intel TBB中的atomic operation之类的方法完成,具体的例子可以参考这篇文章

总结一下,不管是多条语句之间的原子性也好,单个语句(例如x++)的原子性也好都需要大家格外小心,有这种意识之后很多跟Atomicity Violation相关的Bug就可以被避免了。其实归根结底,我们最终是想让多线程程序按照你的意愿正确的执行,所以在清楚什么样的情形可能让你的多线程程序不能按你所想的那样执行之后我们就能有意识的避免它们了(或者更加容易的修复它们)。下一篇文章我们再来仔细分析下Ordering Violation。

[注1] 严格意义上来讲,Data Race只是Atomicity Violation的一个特例,Data Race Free不能保证一定不会出现Atomicity Violation。例如文中Java实现的那个Concurrent Queue的例子,严格意义上来讲它并没有data race,因为isEmpty()和poll()都是线程安全的调用,只不过它们组合起来之后会出现违反程序员本意的Atomicity Violation,所以要用锁保护起来。

P.S. 参考文献中的前两篇是YuanYuan Zhou教授的得意门生Dr. Shan Lu的论文,后者现在已经是Wisconsin–Madison的教授了。

Pthreads并行编程之spin lock与mutex性能对比分析

POSIX threads(简称Pthreads)是在多核平台上进行并行编程的一套常用的API。线程同步(Thread Synchronization)是并行编程中非常重要的通讯手段,其中最典型的应用就是用Pthreads提供的锁机制(lock)来对多个线程之间共 享的临界区(Critical Section)进行保护(另一种常用的同步机制是barrier)。

Pthreads提供了多种锁机制:
(1) Mutex(互斥量):pthread_mutex_***
(2) Spin lock(自旋锁):pthread_spin_***
(3) Condition Variable(条件变量):pthread_con_***
(4) Read/Write lock(读写锁):pthread_rwlock_***

Pthreads提供的Mutex锁操作相关的API主要有:
pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *mutex);

Pthreads提供的与Spin Lock锁操作相关的API主要有:
pthread_spin_lock (pthread_spinlock_t *lock);
pthread_spin_trylock (pthread_spinlock_t *lock);
pthread_spin_unlock (pthread_spinlock_t *lock);

从实现原理上来讲,Mutex是属于sleep-waiting类型 的锁。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B),它们分别运行在Core0和Core1上。当线程A想要 pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁时,如果这个锁正被线程B所持有,那么线程A就会被阻塞(bolcking),Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch),这样Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而Spin lock则不然,它是属于busy-waiting类型的锁,如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁,那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求,直到得到这个锁为止。

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POSIX threads(简称Pthreads)是在多核平台上进行并行编程的一套常用的API。线程同步(Thread Synchronization)是并行编程中非常重要的通讯手段,其中最典型的应用就是用Pthreads提供的锁机制(lock)来对多个线程之间共 享的临界区(Critical Section)进行保护(另一种常用的同步机制是barrier)。

Pthreads提供了多种锁机制:
(1) Mutex(互斥量):pthread_mutex_***
(2) Spin lock(自旋锁):pthread_spin_***
(3) Condition Variable(条件变量):pthread_con_***
(4) Read/Write lock(读写锁):pthread_rwlock_***

Pthreads提供的Mutex锁操作相关的API主要有:
pthread_mutex_lock (pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_trylock (pthread_mutex_t *mutex);
pthread_mutex_unlock (pthread_mutex_t *mutex);

Pthreads提供的与Spin Lock锁操作相关的API主要有:
pthread_spin_lock (pthread_spinlock_t *lock);
pthread_spin_trylock (pthread_spinlock_t *lock);
pthread_spin_unlock (pthread_spinlock_t *lock);

从实现原理上来讲,Mutex属于sleep-waiting类型的锁。例如在一个双核的机器上有两个线程(线程A和线程B),它们分别运行在Core0和Core1上。假设线程A想要通过pthread_mutex_lock操作去得到一个临界区的锁,而此时这个锁正被线程B所持有,那么线程A就会被阻塞(blocking),Core0 会在此时进行上下文切换(Context Switch)将线程A置于等待队列中,此时Core0就可以运行其他的任务(例如另一个线程C)而不必进行忙等待。而Spin lock则不然,它属于busy-waiting类型的锁,如果线程A是使用pthread_spin_lock操作去请求锁,那么线程A就会一直在 Core0上进行忙等待并不停的进行锁请求,直到得到这个锁为止。

如果大家去查阅Linux glibc中对pthreads API的实现NPTL(Native POSIX Thread Library) 的源码的话(使用”getconf GNU_LIBPTHREAD_VERSION”命令可以得到我们系统中NPTL的版本号),就会发现pthread_mutex_lock()操作如果没有锁成功的话就会调用system_wait()的系统调用(现在NPTL的实现采用了用户空间的futex,不需要频繁进行系统调用,性能已经大有改善),并将当前线程加入该mutex的等待队列里。而spin lock则可以理解为在一个while(1)循环中用内嵌的汇编代码实现的锁操作(印象中看过一篇论文介绍说在linux内核中spin lock操作只需要两条CPU指令,解锁操作只用一条指令就可以完成)。有兴趣的朋友可以参考另一个名为sanos的微内核中pthreds API的实现:mutex.c spinlock.c,尽管与NPTL中的代码实现不尽相同,但是因为它的实现非常简单易懂,对我们理解spin lock和mutex的特性还是很有帮助的。

那么在实际编程中mutex和spin lcok哪个的性能更好呢?我们知道spin lock在Linux内核中有非常广泛的利用,那么这是不是说明spin lock的性能更好呢?下面让我们来用实际的代码测试一下(请确保你的系统中已经安装了最近的g++)。

// Name: spinlockvsmutex1.cc
// Source: http://www.alexonlinux.com/pthread-mutex-vs-pthread-spinlock
// Compiler(spin lock version): g++ -o spin_version -DUSE_SPINLOCK spinlockvsmutex1.cc -lpthread
// Compiler(mutex version): g++ -o mutex_version spinlockvsmutex1.cc -lpthread
#include <stdio.h>
#include <unistd.h>
#include <sys/syscall.h>
#include <errno.h>
#include <sys/time.h>
#include <list>
#include <pthread.h>

#define LOOPS 50000000

using namespace std;

list<int> the_list;

#ifdef USE_SPINLOCK
pthread_spinlock_t spinlock;
#else
pthread_mutex_t mutex;
#endif

//Get the thread id
pid_t gettid() { return syscall( __NR_gettid ); }

void *consumer(void *ptr)
{
    int i;

    printf("Consumer TID %lun", (unsigned long)gettid());

    while (1)
    {
#ifdef USE_SPINLOCK
        pthread_spin_lock(&spinlock);
#else
        pthread_mutex_lock(&mutex);
#endif

        if (the_list.empty())
        {
#ifdef USE_SPINLOCK
            pthread_spin_unlock(&spinlock);
#else
            pthread_mutex_unlock(&mutex);
#endif
            break;
        }

        i = the_list.front();
        the_list.pop_front();

#ifdef USE_SPINLOCK
        pthread_spin_unlock(&spinlock);
#else
        pthread_mutex_unlock(&mutex);
#endif
    }

    return NULL;
}

int main()
{
    int i;
    pthread_t thr1, thr2;
    struct timeval tv1, tv2;

#ifdef USE_SPINLOCK
    pthread_spin_init(&spinlock, 0);
#else
    pthread_mutex_init(&mutex, NULL);
#endif

    // Creating the list content...
    for (i = 0; i < LOOPS; i++)
        the_list.push_back(i);

    // Measuring time before starting the threads...
    gettimeofday(&tv1, NULL);

    pthread_create(&thr1, NULL, consumer, NULL);
    pthread_create(&thr2, NULL, consumer, NULL);

    pthread_join(thr1, NULL);
    pthread_join(thr2, NULL);

    // Measuring time after threads finished...
    gettimeofday(&tv2, NULL);

    if (tv1.tv_usec > tv2.tv_usec)
    {
        tv2.tv_sec--;
        tv2.tv_usec += 1000000;
    }

    printf("Result - %ld.%ldn", tv2.tv_sec - tv1.tv_sec,
        tv2.tv_usec - tv1.tv_usec);

#ifdef USE_SPINLOCK
    pthread_spin_destroy(&spinlock);
#else
    pthread_mutex_destroy(&mutex);
#endif

    return 0;
}

该程序运行过程如下:主线程先初始化一个list结构,并根据LOOPS的值将对应数量的entry插入该list,之后创建两个新线程,它们都执行consumer()这个任务。两个被创建的新线程同时对这个list进行pop操作。主线程会计算从创建两个新线程到两个新线程结束之间所用的时间,输出为下文中的”Result “。

测试机器参数:
Ubuntu 9.04 X86_64
Intel(R) Core(TM)2 Duo CPU E8400 @ 3.00GHz
4.0 GB Memory

从下面是测试结果:

gchen@gchen-desktop:~/Workspace/mutex$ g++ -o spin_version -DUSE_SPINLOCK spinvsmutex1.cc -lpthread
gchen@gchen-desktop:~/Workspace/mutex$ g++ -o mutex_version spinvsmutex1.cc -lpthread
gchen@gchen-desktop:~/Workspace/mutex$ time ./spin_version
Consumer TID 5520
Consumer TID 5521
Result - 5.888750

real    0m10.918s
user    0m15.601s
sys    0m0.804s

gchen@gchen-desktop:~/Workspace/mutex$ time ./mutex_version
Consumer TID 5691
Consumer TID 5692
Result - 9.116376

real    0m14.031s
user    0m12.245s
sys    0m4.368s

可以看见spin lock的版本在该程序中表现出来的性能更好。另外值得注意的是sys时间,mutex版本花费了更多的系统调用时间,这就是因为mutex会在锁冲突时调用system wait造成的。

但是,是不是说spin lock就一定更好了呢?让我们再来看一个锁冲突程度非常剧烈的实例程序:

//Name: svm2.c
//Source: http://www.solarisinternals.com/wiki/index.php/DTrace_Topics_Locks
//Compile(spin lock version): gcc -o spin -DUSE_SPINLOCK svm2.c -lpthread
//Compile(mutex version): gcc -o mutex svm2.c -lpthread
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <sys/syscall.h>

#define        THREAD_NUM     2

pthread_t g_thread[THREAD_NUM];
#ifdef USE_SPINLOCK
pthread_spinlock_t g_spin;
#else
pthread_mutex_t g_mutex;
#endif
__uint64_t g_count;

pid_t gettid()
{
    return syscall(SYS_gettid);
}

void *run_amuck(void *arg)
{
       int i, j;

       printf("Thread %lu started.n", (unsigned long)gettid());

       for (i = 0; i < 10000; i++) {
#ifdef USE_SPINLOCK
           pthread_spin_lock(&g_spin);
#else
               pthread_mutex_lock(&g_mutex);
#endif
               for (j = 0; j < 100000; j++) {
                       if (g_count++ == 123456789)
                               printf("Thread %lu wins!n", (unsigned long)gettid());
               }
#ifdef USE_SPINLOCK
           pthread_spin_unlock(&g_spin);
#else
               pthread_mutex_unlock(&g_mutex);
#endif
       }
       
       printf("Thread %lu finished!n", (unsigned long)gettid());

       return (NULL);
}

int main(int argc, char *argv[])
{
       int i, threads = THREAD_NUM;

       printf("Creating %d threads...n", threads);
#ifdef USE_SPINLOCK
       pthread_spin_init(&g_spin, 0);
#else
       pthread_mutex_init(&g_mutex, NULL);
#endif
       for (i = 0; i < threads; i++)
               pthread_create(&g_thread[i], NULL, run_amuck, (void *) i);

       for (i = 0; i < threads; i++)
               pthread_join(g_thread[i], NULL);

       printf("Done.n");

       return (0);
}

这个程序的特征就是临界区非常大,这样两个线程的锁竞争会非常的剧烈。当然这个是一个极端情况,实际应用程序中临界区不会如此大,锁竞争也不会如此激烈。测试结果显示mutex版本性能更好:

gchen@gchen-desktop:~/Workspace/mutex$ time ./spin
Creating 2 threads...
Thread 31796 started.
Thread 31797 started.
Thread 31797 wins!
Thread 31797 finished!
Thread 31796 finished!
Done.

real    0m5.748s
user    0m10.257s
sys    0m0.004s

gchen@gchen-desktop:~/Workspace/mutex$ time ./mutex
Creating 2 threads...
Thread 31801 started.
Thread 31802 started.
Thread 31802 wins!
Thread 31802 finished!
Thread 31801 finished!
Done.

real    0m4.823s
user    0m4.772s
sys    0m0.032s

另外一个值得注意的细节是spin lock耗费了更多的user time。这就是因为两个线程分别运行在两个核上,大部分时间只有一个线程能拿到锁,所以另一个线程就一直在它运行的core上进行忙等待,CPU占用率一直是100%;而mutex则不同,当对锁的请求失败后上下文切换就会发生,这样就能空出一个核来进行别的运算任务了。(其实这种上下文切换对已经拿着锁的那个线程性能也是有影响的,因为当该线程释放该锁时它需要通知操作系统去唤醒那些被阻塞的线程,这也是额外的开销)

总结
(1)Mutex适合对锁操作非常频繁的场景,并且具有更好的适应性。尽管相比spin lock它会花费更多的开销(主要是上下文切换),但是它能适合实际开发中复杂的应用场景,在保证一定性能的前提下提供更大的灵活度。

(2)spin lock的lock/unlock性能更好(花费更少的cpu指令),但是它只适应用于临界区运行时间很短的场景。而在实际软件开发中,除非程序员对自己的程序的锁操作行为非常的了解,否则使用spin lock不是一个好主意(通常一个多线程程序中对锁的操作有数以万次,如果失败的锁操作(contended lock requests)过多的话就会浪费很多的时间进行空等待)。

(3)更保险的方法或许是先(保守的)使用 Mutex,然后如果对性能还有进一步的需求,可以尝试使用spin lock进行调优。毕竟我们的程序不像Linux kernel那样对性能需求那么高(Linux Kernel最常用的锁操作是spin lock和rw lock)。

2010年3月3日补记:这个观点在Oracle的文档中得到了支持:

During configuration, Berkeley DB selects a mutex implementation for the architecture. Berkeley DB normally prefers blocking-mutex implementations over non-blocking ones. For example, Berkeley DB will select POSIX pthread mutex interfaces rather than assembly-code test-and-set spin mutexes because pthread mutexes are usually more efficient and less likely to waste CPU cycles spinning without getting any work accomplished.

p.s.调用syscall(SYS_gettid)和syscall( __NR_gettid )都可以得到当前线程的id:)

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