非阻塞型同步 (Non-blocking Synchronization) 簡介

如何正確有效的保護共享數(shù)據(jù)是編寫并行程序必須面臨的一個難題，通常的手段就是同步。同步可分為阻塞型同步（Blocking Synchronization）和非阻塞型同步（ Non-blocking Synchronization）。

阻塞型同步是指當一個線程到達臨界區(qū)時，因另外一個線程已經(jīng)持有訪問該共享數(shù)據(jù)的鎖，從而不能獲取鎖資源而阻塞，直到另外一個線程釋放鎖。常見的同步原語有 mutex、semaphore 等。如果同步方案采用不當，就會造成死鎖（deadlock），活鎖（livelock）和優(yōu)先級反轉(zhuǎn)（priority inversion），以及效率低下等現(xiàn)象。

為了降低風險程度和提高程序運行效率，業(yè)界提出了不采用鎖的同步方案，依照這種設(shè)計思路設(shè)計的算法稱為非阻塞型算法，其本質(zhì)特征就是停止一個線程的執(zhí)行不會阻礙系統(tǒng)中其他執(zhí)行實體的運行。

比較流行的 Non-blocking Synchronization 實現(xiàn)方案有三種：

1. 1、Wait-free
2. Wait-free 是指任意線程的任何操作都可以在有限步之內(nèi)結(jié)束，而不用關(guān)心其它線程的執(zhí)行速度。Wait-free 是基于 per-thread 的，可以認為是 starvation-free 的。非常遺憾的是實際情況并非如此，采用 Wait-free 的程序并不能保證 starvation-free，同時內(nèi)存消耗也隨線程數(shù)量而線性增長。目前只有極少數(shù)的非阻塞算法實現(xiàn)了這一點。
3. 2、Lock-free
4. Lock-Free 是指能夠確保執(zhí)行它的所有線程中至少有一個能夠繼續(xù)往下執(zhí)行。由于每個線程不是 starvation-free 的，即有些線程可能會被任意地延遲，然而在每一步都至少有一個線程能夠往下執(zhí)行，因此系統(tǒng)作為一個整體是在持續(xù)執(zhí)行的，可以認為是 system-wide 的。所有 Wait-free 的算法都是 Lock-Free 的。
5. 3、Obstruction-free
6. Obstruction-free 是指在任何時間點，一個孤立運行線程的每一個操作可以在有限步之內(nèi)結(jié)束。只要沒有競爭，線程就可以持續(xù)運行。一旦共享數(shù)據(jù)被修改，Obstruction-free 要求中止已經(jīng)完成的部分操作，并進行回滾。所有 Lock-Free 的算法都是 Obstruction-free 的。

綜上所述，不難得出 Obstruction-free 是 Non-blocking synchronization 中性能最差的，而 Wait-free 性能是最好的，但實現(xiàn)難度也是最大的，因此 Lock-free 算法開始被重視，并廣泛運用于正在運行的程序中，比如 linux 內(nèi)核。

一般采用原子級的 read-modify-write 原語來實現(xiàn) Lock-Free 算法，其中 LL 和 SC 是 Lock-Free 理論研究領(lǐng)域的理想原語，但實現(xiàn)這些原語需要 CPU 指令的支持，非常遺憾的是目前沒有任何 CPU 直接實現(xiàn)了 SC 原語。根據(jù)此理論，業(yè)界在原子操作的基礎(chǔ)上提出了著名的 CAS（Compare - And - Swap）操作來實現(xiàn) Lock-Free 算法，Intel 實現(xiàn)了一條類似該操作的指令：cmpxchg8。

CAS 原語負責將某處內(nèi)存地址的值（1 個字節(jié)）與一個期望值進行比較，如果相等，則將該內(nèi)存地址處的值替換為新值，CAS 操作偽碼描述如下：

清單 1. CAS 偽碼

在實際開發(fā)過程中，利用 CAS 進行同步，代碼如下所示：

清單 2. CAS 實際操作

就是指當兩者進行比較時，如果相等，則證明共享數(shù)據(jù)沒有被修改，替換成新值，然后繼續(xù)往下運行；如果不相等，說明共享數(shù)據(jù)已經(jīng)被修改，放棄已經(jīng)所做的操作，然后重新執(zhí)行剛才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享數(shù)據(jù)不會被修改的假設(shè)，采用了類似于數(shù)據(jù)庫的 commit-retry 的模式。當同步?jīng)_突出現(xiàn)的機會很少時，這種假設(shè)能帶來較大的性能提升。

加鎖的層級

根據(jù)復(fù)雜程度、加鎖粒度及運行速度，可以得出如下圖所示的鎖層級：

圖 1. 加鎖層級

其中標注為紅色字體的方案為 Blocking synchronization，黑色字體為 Non-blocking synchronization。Lock-based 和 Lockless-based 兩者之間的區(qū)別僅僅是加鎖粒度的不同。圖中最底層的方案就是大家經(jīng)常使用的 mutex 和 semaphore 等方案，代碼復(fù)雜度低，但運行效率也最低。

Linux 內(nèi)核中的無鎖分析

Linux 內(nèi)核可能是當今最大最復(fù)雜的并行程序之一，它的并行主要來至于中斷、內(nèi)核搶占及 SMP 等。內(nèi)核設(shè)計者們?yōu)榱瞬粩嗵岣?Linux 內(nèi)核的效率，從全局著眼，逐步廢棄了大內(nèi)核鎖來降低鎖的粒度；從細處下手，不斷對局部代碼進行優(yōu)化，用無鎖編程替代基于鎖的方案，如 seqlock 及 RCU 等；不斷減少鎖沖突程度、降低等待時間，如 Double-checked locking 和原子鎖等。

內(nèi)核無鎖第一層級 — 少鎖

無論什么時候當臨界區(qū)中的代碼僅僅需要加鎖一次，同時當其獲取鎖的時候必須是線程安全的，此時就可以利用 Double-checked Locking 模式來減少鎖競爭和加鎖載荷。目前 Double-checked Locking 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于單例 (Singleton) 模式中。內(nèi)核設(shè)計者基于此思想，巧妙的將 Double-checked Locking 方法運用于內(nèi)核代碼中。

當一個進程已經(jīng)僵死，即進程處于 TASK_ZOMBIE 狀態(tài)，如果父進程調(diào)用 waitpid() 系統(tǒng)調(diào)用時，父進程需要為子進程做一些清理性的工作，代碼如下所示：

清單 3. 少鎖操作

如果將 write_lock_irq 放置于 1103 行之前，鎖的范圍過大，鎖的負載也會加重，影響效率；如果將加鎖的代碼放到判斷里面，且沒有 1106 行的代碼，程序會正確嗎？在單核情況下是正確的，但在雙核情況下問題就出現(xiàn)了。一個非主進程在一個 CPU 上運行，正準備調(diào)用 exit 退出，此時主進程在另外一個 CPU 上運行，在子進程調(diào)用 release_task 函數(shù)之前調(diào)用上述代碼。子進程在 exit_notify 函數(shù)中，先持有讀寫鎖 tasklist_lock，調(diào)用 forget_original_parent。主進程運行到 1104 處，由于此時子進程先持有該鎖，所以父進程只好等待。在 forget_original_parent 函數(shù)中，如果該子進程還有子進程，則會調(diào)用 reparent_thread()，將執(zhí)行 p->parent = p->real_parent; 語句，導(dǎo)致兩者相等，等非主進程釋放讀寫鎖 tasklist_lock 時，另外一個 CPU 上的主進程被喚醒，一旦開始執(zhí)行，繼續(xù)運行將會導(dǎo)致 bug。

嚴格的說，Double-checked locking 不屬于無鎖編程的范疇，但由原來的每次加鎖訪問到大多數(shù)情況下無須加鎖，就是一個巨大的進步。同時從這里也可以看出一點端倪，內(nèi)核開發(fā)者為了降低鎖沖突率，減少等待時間，提高運行效率，一直在持續(xù)不斷的進行改進。

內(nèi)核無鎖第二層級 — 原子鎖

原子操作可以保證指令以原子的方式執(zhí)行——執(zhí)行過程不被打斷。內(nèi)核提供了兩組原子操作接口：一組針對于整數(shù)進行操作，另外一組針對于單獨的位進行操作。內(nèi)核中的原子操作通常是內(nèi)聯(lián)函數(shù)，一般是通過內(nèi)嵌匯編指令來完成。對于一些簡單的需求，例如全局統(tǒng)計、引用計數(shù)等等，可以歸結(jié)為是對整數(shù)的原子計算。

內(nèi)核無鎖第三層級 — Lock-free

1. Lock-free 應(yīng)用場景一 —— Spin Lock

Spin Lock 是一種輕量級的同步方法，一種非阻塞鎖。當 lock 操作被阻塞時，并不是把自己掛到一個等待隊列，而是死循環(huán) CPU 空轉(zhuǎn)等待其他線程釋放鎖。Spin lock 鎖實現(xiàn)代碼如下：

清單 4. spin lock 實現(xiàn)代碼

匯編語言指令 xchgb 原子性的交換 8 位 oldval( 存 0) 和 lock->lock 的值，如果 oldval 為 1(lock 初始值為 1)，則獲取鎖成功，反之，則繼續(xù)循環(huán)，接著 relax 休息一會兒，然后繼續(xù)周而復(fù)始，直到成功。

對于應(yīng)用程序來說，希望任何時候都能獲取到鎖，也就是期望 lock->lock 為 1，那么用 CAS 原語來描述 _raw_spin_trylock(lock) 就是 CAS(lock->lock,1,0);

如果同步操作總是能在數(shù)條指令內(nèi)完成，那么使用 Spin Lock 會比傳統(tǒng)的 mutex lock 快一個數(shù)量級。Spin Lock 多用于多核系統(tǒng)中，適合于鎖持有時間小于將一個線程阻塞和喚醒所需時間的場合。

pthread 庫已經(jīng)提供了對 spin lock 的支持，所以用戶態(tài)程序也能很方便的使用 spin lock 了，需要包含 pthread.h 。在某些場景下，pthread_spin_lock 效率是 pthread_mutex_lock 效率的一倍多。美中不足的是，內(nèi)核實現(xiàn)了讀寫 spin lock 鎖，但 pthread 未能實現(xiàn)。

2. Lock -free 應(yīng)用場景二 —— Seqlock

手表最主要最常用的功能是讀時間，而不是校正時間，一旦后者成了最常用的功能，消費者肯定不會買賬。計算機的時鐘也是這個功能，修改時間是小概率事件，而讀時間是經(jīng)常發(fā)生的行為。以下代碼摘自 2.4.34 內(nèi)核：

清單 5. 2.4.34 seqlock 實現(xiàn)代碼

不難發(fā)現(xiàn)獲取時間和修改時間采用的是 spin lock 讀寫鎖，讀鎖和寫鎖具有相同的優(yōu)先級，只要讀持有鎖，寫鎖就必須等待，反之亦然。

Linux 2.6 內(nèi)核中引入一種新型鎖——順序鎖 (seqlock)，它與 spin lock 讀寫鎖非常相似，只是它為寫者賦予了較高的優(yōu)先級。也就是說，即使讀者正在讀的時候也允許寫者繼續(xù)運行。當存在多個讀者和少數(shù)寫者共享一把鎖時，seqlock 便有了用武之地，因為 seqlock 對寫者更有利，只要沒有其他寫者，寫鎖總能獲取成功。根據(jù) lock-free 和時鐘功能的思想，內(nèi)核開發(fā)者在 2.6 內(nèi)核中，將上述讀寫鎖修改成了順序鎖 seqlock，代碼如下：

清單 6. 2.6.10 seqlock 實現(xiàn)代碼

Seqlock 實現(xiàn)原理是依賴一個序列計數(shù)器，當寫者寫入數(shù)據(jù)時，會得到一把鎖，并且將序列值加 1。當讀者讀取數(shù)據(jù)之前和之后，該序列號都會被讀取，如果讀取的序列號值都相同，則表明寫沒有發(fā)生。反之，表明發(fā)生過寫事件，則放棄已進行的操作，重新循環(huán)一次，直至成功。不難看出，do_gettimeofday 函數(shù)里面的 while 循環(huán)和接下來的兩行賦值操作就是 CAS 操作。

采用順序鎖 seqlock 好處就是寫者永遠不會等待，缺點就是有些時候讀者不得不反復(fù)多次讀相同的數(shù)據(jù)直到它獲得有效的副本。當要保護的臨界區(qū)很小，很簡單，頻繁讀取而寫入很少發(fā)生（WRRM--- Write Rarely Read Mostly）且必須快速時，就可以使用 seqlock。但 seqlock 不能保護包含有指針的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，因為當寫者修改數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，讀者可能會訪問一個無效的指針。

3. Lock -free 應(yīng)用場景三 —— RCU

在 2.6 內(nèi)核中，開發(fā)者還引入了一種新的無鎖機制 -RCU(Read-Copy-Update)，允許多個讀者和寫者并發(fā)執(zhí)行。RCU 技術(shù)的核心是寫操作分為寫和更新兩步，允許讀操作在任何時候無阻礙的運行，換句話說，就是通過延遲寫來提高同步性能。RCU 主要應(yīng)用于 WRRM 場景，但它對可保護的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)做了一些限定：RCU 只保護被動態(tài)分配并通過指針引用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時讀寫控制路徑不能有睡眠。以下數(shù)組動態(tài)增長代碼摘自 2.4.34 內(nèi)核：

清單 7. 2.4.34 RCU 實現(xiàn)代碼

其中 ipc_lock 是讀者，grow_ary 是寫者，不論是讀或者寫，都需要加 spin lock 對被保護的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行訪問。改變數(shù)組大小是小概率事件，而讀取是大概率事件，同時被保護的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是指針，滿足 RCU 運用場景。以下代碼摘自 2.6.10 內(nèi)核：

清單 8. 2.6.10 RCU 實現(xiàn)代碼

縱觀整個流程，寫者除內(nèi)核屏障外，幾乎沒有一把鎖。當寫者需要更新數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)時，首先復(fù)制該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，申請 new 內(nèi)存，然后對副本進行修改，調(diào)用 memcpy 將原數(shù)組的內(nèi)容拷貝到 new 中，同時對擴大的那部分賦新值，修改完畢后，寫者調(diào)用 rcu_assign_pointer 修改相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指針，使之指向被修改后的新副本，整個寫操作一氣呵成，其中修改指針值的操作屬于原子操作。在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)被寫者修改后，需要調(diào)用內(nèi)存屏障 smp_wmb，讓其他 CPU 知曉已更新的指針值，否則會導(dǎo)致 SMP 環(huán)境下的 bug。當所有潛在的讀者都執(zhí)行完成后，調(diào)用 call_rcu 釋放舊副本。同 Spin lock 一樣，RCU 同步技術(shù)主要適用于 SMP 環(huán)境。

內(nèi)核無鎖第四層級 — 免鎖

環(huán)形緩沖區(qū)是生產(chǎn)者和消費者模型中常用的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)者將數(shù)據(jù)放入數(shù)組的尾端，而消費者從數(shù)組的另一端移走數(shù)據(jù)，當達到數(shù)組的尾部時，生產(chǎn)者繞回到數(shù)組的頭部。

如果只有一個生產(chǎn)者和一個消費者，那么就可以做到免鎖訪問環(huán)形緩沖區(qū)（Ring Buffer）。寫入索引只允許生產(chǎn)者訪問并修改，只要寫入者在更新索引之前將新的值保存到緩沖區(qū)中，則讀者將始終看到一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。同理，讀取索引也只允許消費者訪問并修改。

圖 2. 環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)原理圖

如圖所示，當讀者和寫者指針相等時，表明緩沖區(qū)是空的，而只要寫入指針在讀取指針后面時，表明緩沖區(qū)已滿。

清單 9. 2.6.10 環(huán)形緩沖區(qū)實現(xiàn)代碼

以上代碼摘自 2.6.10 內(nèi)核，通過代碼的注釋（斜體部分）可以看出，當只有一個消費者和一個生產(chǎn)者時，可以不用添加任何額外的鎖，就能達到對共享數(shù)據(jù)的訪問。

總結(jié)

通過對比 2.4 和 2.6 內(nèi)核代碼，不得不佩服內(nèi)核開發(fā)者的智慧，為了提高內(nèi)核性能，一直不斷的進行各種優(yōu)化，并將業(yè)界最新的 lock-free 理念運用到內(nèi)核中。

在實際開發(fā)過程中，進行無鎖設(shè)計時，首先進行場景分析，因為每種無鎖方案都有特定的應(yīng)用場景，接著根據(jù)場景分析進行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的初步設(shè)計，然后根據(jù)先前的分析結(jié)果進行并發(fā)模型建模，最后在調(diào)整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計，以便達到最優(yōu)。