Ticket Lock的Relaxed Atomics优化

原文地址 作者:Pedro Ramalhete,译者:周可人,校对:梁海舰

Tick lock是mutual lock的一种简单实现:

http://web.mit.edu/6.173/www/currentsemester/readings/R06-scalable-synchronization-1991.pdf

它是由John Mellor-Crummey和Michael Scott在1991年提出的(pdf中2.2节),感谢C++11和C11中新的内存模型,我们可以对单个变量进行具有屏障或者不具有屏障的原子操作。当屏障没有使用,只有原子性保证时,我们称之为“relaxed atomic”:

http://en.cppreference.com/w/cpp/atomic/memory_order

注意在C11/C++11内存模型中,一个原子变量并不具有内在的“顺序一致性”或者“relaxed”性质,然而我们可以在每次访问的时选择它的行为。

原子修饰符只能保证原子性,即这个变量会被单步读或写。其他语言,如Java和Scala则不同,它们可以保证几乎所有的原生类型提供原子性保证,从而表现为“relaxed atomic”。并且,所有被声明为顺序一致性的变量可以在整个程序中保持性质(除非在Java中使用sun.misc.unsafe)。尽管这个细微的差异可能看起来并不重要,但是当我们的目标是从同步或是并发算法中挖掘最大性能时,就需要关注这个差异了。

假设你想要在不同语言中声明一个原子整型,下面是你可能会做的:


C11 (can be relaxed or sequentially consistent)

_Atomic int x;

C++11 or C++14 (can be relaxed or sequentially consistent)

atomic<int> x;

Java (sequentially consistent)

volatile int x;

当具备上述信息时,我们可以写出一个简单的Ticket Lock C11版本的实现,如下所示:


typedef struct

{

    _Atomic long ingress;

    char padding[64];      // To avoid false sharing between ingress and egress

    _Atomic long egress;

} ticket_mutex_t;

 

void ticket_mutex_lock(ticket_mutex_t * self)

{

    long lingress = atomic_fetch_add(&self->ingress, 1);

    while (lingress != atomic_load(&self->egress)) {

        sched_yield();

    }

    // This thread has acquired the lock on the mutex

}

 

void ticket_mutex_unlock(ticket_mutex_t * self)

{

    atomic_fetch_add(&self->egress, 1);

}

 

这里有3处不明显的优化,我们可以在上述代码的基础上利用releaxed atomics实现。让我们一个一个看。

  1. 在lock方法中,当egress变量第一次被读取的时候,我们可以用relaxed load优化。

代码如下:


void ticket_mutex_lock(ticket_mutex_t * self)

{

long lingress = atomic_fetch_add(&self->ingress, 1);

// If the ingress and egress match, then the lock as been acquired and

// we don't even need to do an acquire-barrier.

if (lingress == atomic_load_explicit(&self->egress, memory_order_relaxed)) return ;

while (lingress != atomic_load(&self->egress)) {

sched_yield();  // Replace this with thrd_yield() if you use <threads.h>

}

// This thread has acquired the lock on the mutex

}

我们这样做的原因是atmoic_fetch_add(ingress)将会获取一个barrier,这代表着atomic_load_explicit(egress, memory_order_relaxed)将永远不能在atomic_fetch_add()之前被执行,但是它可以获得一个最新的egress的值,至少在atomic_fetch_add(ingress)执行之后。这意味着egress变量的值将永远不会比atomic_fetch_add(ingress)所返回的值更大。

在x86架构中,这个优化并不会带来效率提升,因为获得屏障是没有代价的,这代表节省一个屏障并不能带来任何收益。但是在其他架构中——如ARMv8,这个优化将带来少量的收益。当我可以在ARMv8上开发,并且配有支持C11/C++11的gcc时,我会详细说明。

 

  1. 在unlock()方法中,我们可以使用atomic_load()和atomic_store()来替代atomic_fetch_add()。

unlock()方法中并没有在一个原子操作中同时读/写的需求,因为同一时间只有一个线程可以调用这个方法。这说明我们可以这样实现egress变量的增加操作:使用atomic_load()读取egress变量的当前值,然后使用atomic_store()操作将当前值加1写入egress变量。

 

  1. 在前面提到的atomic_load()操作可以是relaxed。

步骤2可以通过relaxed atomic_load()进一步优化。在lock()方法中,atomic_fetch_add()有一个获取屏障的操作,或者在糟糕的情况下,这个屏障在while循环中的atomic_load(),用来保证当前线程获得最新的egress值。我们可以保证在这个屏障和unlock()之间没有其他线程调整egress变量,所以这样做是安全的。

最后的代码如下:


void ticket_mutex_unlock( ticket_mutex_t * self)

{

long legress = atomic_load_explicit(&self-> egress, memory_order_relaxed);

atomic_store(&self-> egress, legress+1);

}

上述是一些关于如何使用relaxed atomics来优化代码的例子。

现在,我们可以实际地说这些特殊优化所带来的提升是非常小的,并且一些优化是令人费解的,更是难以证明其正确性的。有利的一点是这个代码仍然是跨平台的。你可以在x86,ppc,mips,arm上运行它,因为内存模型的一致性,你有信心保证代码仍然是安全的。

这是我喜爱C11/C++1x内存模型的原因。

可以在github上找到C11 Ticket Lock源代码:

https://github.com/pramalhe/ConcurrencyFreaks/blob/master/C11/locks/ticket_mutex.h

https://github.com/pramalhe/ConcurrencyFreaks/blob/master/C11/locks/ticket_mutex.c

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周 可人

在校学生,从事并发数据结构研究,关注并发和并行技术。

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