Linux：无锁化编程 __sync_fetch_and_add原理及其实现分析

背景

linux支持的哪些操作是具有原子特性的？知道这些东西是理解和设计无锁化编程算法的基础。

我们知道，count++操作不是原子的。一个自加操作，本质是分成三步的：

1.      从缓存取到寄存器
2.      在寄存器加1
3.      存入缓存。

    由于时序的因素，多个线程操作同一个全局变量，会出现问题。这也是并发编程的难点。在目前多核条件下，这种困境会越来越彰显出来。
    最简单的处理办法就是加锁保护，看下面的代码：
 

pthread_mutex_t count_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;

pthread_mutex_lock(&count_lock);
global_int++;
pthread_mutex_unlock(&count_lock);

 原子操作函数       

        在网上查找资料，找到了__sync_fetch_and_add系列的命令，发现这个系列命令讲的最好的一篇文章，英文好的同学可以直接去看原文。Multithreaded simple data type access and atomic variables。

        

        __sync_fetch_and_add系列一共有十二个函数，有加/减/与/或/异或/等函数的原子性操作函数，__sync_fetch_and_add,顾名思义，先fetch，然后自加，返回的是自加以前的值。以count = 4为例，调用__sync_fetch_and_add(&count,1),之后，返回值是4，然后，count变成了5.
     有__sync_fetch_and_add,自然也就有__sync_add_and_fetch，这个的意思就很清楚了，先自加，再返回。他们两者得关系与i++和++i的关系是一样的。
   

        有了这个函数，我们就有新的解决办法了。对于多线程对全局变量进行自加，我们就再也不用理线程锁了。下面这行代码，和上面被pthread_mutex保护的那行代码作用是一样的，而且也是线程安全的。

__sync_fetch_and_add( &global_int, 1 );

    下面是这群函数的全家福，大家看名字就知道是这些函数是干啥的了。

    在用gcc编译的时候要加上选项 -march=i686

type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_or (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_and (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_xor (type *ptr, type value);
type __sync_fetch_and_nand (type *ptr, type value);
type __sync_add_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_sub_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_or_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_and_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_xor_and_fetch (type *ptr, type value);
type __sync_nand_and_fetch (type *ptr, type value);

        

        要提及的是，这个type不能够瞎搞。

        下面看下__sync_fetch_and_add反汇编出来的指令：

804889d: f0 83 05 50 a0 04 08 lock addl $0x1,0x804a050

    我们看到了，addl前面有个lock，这行汇编指令码前面是f0开头，f0叫做指令前缀，Richard Blum将指令前缀分成了四类，有兴趣的同学可以看下。其实我也没看懂，intel的指令集太厚了，没空看。总之解释了，lock前缀的意思是对内存区域的排他性访问。
? Lock and repeat prefixes
? Segment override and branch hint prefixes
? Operand size override prefix
? Address size override prefix

     前文提到，lock是锁FSB，前端串行总线，front serial bus,这个FSB是处理器和RAM之间的总线，锁住了它，就能阻止其他处理器或者core从RAM获取数据。当然这种操作是比较费的，只能操作小的内存可以这样做，想想我们有memcpy ，如果操作一大片内存，锁内存，那么代价就太昂贵了。所以前文提到的_sync_fetch_add_add家族，type只能是int long  ，long long（及对应unsigned类型）。
 

        下面提供了函数，是改造的Alexander Sundler的原文，荣誉属于他，我只是学习他的代码，稍微改动了一点点。比较了两种方式的耗时情况。呵呵咱是菜鸟，不敢枉自剽窃大师作品。向大师致敬。

#define _GNU_SOURCE

#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include 
#include
#include

#define INC_TO 1000000 // one million...

__u64 rdtsc()
{
  __u32 lo,hi;

    __asm__ __volatile__
    (
     "rdtsc":"=a"(lo),"=d"(hi)
    );

    return (__u64)hi<<32|lo;
}

 

int global_int = 0;
pthread_mutex_t count_lock = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER;


pid_t gettid( void )
{
    return syscall( __NR_gettid );
}

void *thread_routine( void *arg )
{
    int i;
    int proc_num = (int)(long)arg;
    __u64 begin, end;
    struct timeval tv_begin,tv_end;
    __u64 timeinterval;
    cpu_set_t set;

    CPU_ZERO( &set );
    CPU_SET( proc_num, &set );

    if (sched_setaffinity( gettid(), sizeof( cpu_set_t ), &set ))
    {
        perror( "sched_setaffinity" );
        return NULL;
    }

    begin = rdtsc();
    gettimeofday(&tv_begin,NULL);
    for (i = 0; i < INC_TO; i++)
    {
//     global_int++;
        __sync_fetch_and_add( &global_int, 1 );
    }
    gettimeofday(&tv_end,NULL);
    end = rdtsc();
    timeinterval =(tv_end.tv_sec - tv_begin.tv_sec)*1000000                    +(tv_end.tv_usec - tv_begin.tv_usec);
    fprintf(stderr,"proc_num :%d,__sync_fetch_and_add cost             %llu CPU cycle,cost %llu us\n",                             proc_num,end-begin,timeinterval);

    return NULL;
}


void *thread_routine2( void *arg )
{
    int i;
    int proc_num = (int)(long)arg;
    __u64 begin, end;

    struct timeval tv_begin,tv_end;
    __u64 timeinterval;
    cpu_set_t set;

    CPU_ZERO( &set );
    CPU_SET( proc_num, &set );

    if (sched_setaffinity( gettid(), sizeof( cpu_set_t ), &set ))
    {
        perror( "sched_setaffinity" );
        return NULL;
    }


    begin = rdtsc();
    gettimeofday(&tv_begin,NULL);

    for(i = 0;i

测试发现：

1 不加锁的情况下，不能返回正确的结果
  测试程序结果显示，正确结果为400万，实际为1169911.

2 线程锁和原子性自加都能返回正确的结果。

3 性能上__sync_fetch_and_add,完爆线程锁。
  从测试结果上看， __sync_fetch_and_add,速度是线程锁的6～7倍
 

且看以下测试结果：

Starting 4 threads...
proc_num :2,no locker cost 27049544 CPU cycle,cost 12712 us
proc_num :0,no locker cost 27506750 CPU cycle,cost 12120 us
proc_num :1,no locker cost 28499000 CPU cycle,cost 13365 us
proc_num :3,no locker cost 27193093 CPU cycle,cost 12780 us
After doing all the math, global_int value is: 1169911
Expected value is: 4000000
Starting 4 threads...
proc_num :2,__sync_fetch_and_add cost 156602056 CPU cycle,cost 73603 us
proc_num :1,__sync_fetch_and_add cost 158414764 CPU cycle,cost 74456 us
proc_num :3,__sync_fetch_and_add cost 159065888 CPU cycle,cost 74763 us
proc_num :0,__sync_fetch_and_add cost 162621399 CPU cycle,cost 76426 us
After doing all the math, global_int value is: 4000000
Expected value is: 4000000

Starting 4 threads...
proc_num :1,pthread lock cost 992586450 CPU cycle,cost 466518 us
proc_num :3,pthread lock cost 1008482114 CPU cycle,cost 473998 us
proc_num :0,pthread lock cost 1018798886 CPU cycle,cost 478840 us
proc_num :2,pthread lock cost 1019083986 CPU cycle,cost 478980 us
After doing all the math, global_int value is: 4000000
Expected value is: 4000000