C++ lock-free 和 wait-free 基本概念与相关知识点

Dear 丶 2024-04-17 05:58 62阅读 0赞

**1、为什么会提出无锁化的问题？**

前提：多核编程有冲突，多个线程修改同一个数据会造成race condition。

所以需要用锁。

问题：锁容易造成性能瓶颈—> 如何无锁化—> 原子操作

**2、原子操作可能带来的问题**

（1）这个操作可能并没有那么快 —> 无法解决锁带来的性能瓶颈问题

（2）有可能会造成程序的crash

**3、Cacheline**

【先了解背景知识，明白问题2是怎么造成的】

（1）现代CPU为了提高性能，大量使用分级Cache，L1和L2为核心独享，L3为核心间共享。

（2）写入自身L1-Cache非常快，2ns完成；但是如果有其他核心也写同一处内存，需要确认其他核心的cacheline，这个过程是原子的，大概需要700ns，一致性同步。

因此，耗时的瓶颈就在CPU同步cacheline。

【可以理解为多核同写一处地址，这两个核的操作就没法并行去走了，需要确定一个顺序将两个核要执行的指令依次排列下来，这样就极大影响了性能】

**4、如何尽可能避免CPU的同步cache**

（1）最好的做法：多线程间尽量避免共享内存

race condition总是麻烦的，如果从源头解决，那才是极好的。

多线程的变量尽量按访问规律排列；

**5、为什么会crash**

没有依赖，没有锁控制，由于指令重排，可能代码后面的指令会跑到代码前面去。

```c++
    // Thread 1
    // ready was initialized to false
    p.init();
    ready = true;
    ```
    
    ```c++
    // Thread2
    if (ready) {
        p.bar();
    }
    ```

指令的重排序可能会导致ready=true写到p.init()的前面，导致线程2的执行出现问题。

因此，有了memory order的概念，将指令操作进行了抽象，总结了几种模式：

memory\_order\_relaxed：放任自由，编译器爱怎么搞怎么搞

memory\_order\_consume：后面依赖此原子变量的访问指令勿排到此条指令之前

memory\_order\_acquire：后面访存指令重排至此指令之前

memory\_order\_release：前面访存指令勿重排至此指令之后，当此指令的结果对其他线程可见后，之前所有的指令都可见。

memory\_order\_acq\_rel：acquire+release

memory\_order\_seq\_cst：

这些似乎很难理解，确实结合例子来看会舒服一些：

```c++
    // Thread1
    // ready was initialized to false
    p.init();
    ready.store(true, std::memory_order_release);
    ```
    
    ```c++
    // Thread2
    if (ready.load(std::memory_order_acquire)) {
        p.bar();
    }
    ```

（1）ready的赋值操作采用了原子操作，并指明采用release，即：前面的指令不能排到ready赋值之前。

（2）ready的判断采用了原子操作，并指明采用acquire，即：前面访存的指令不能放在这条指令的后面，这样保证了ready=true和if ready判断的先后顺序

**6、wait-free & lock-free**

**（1）wait-free：不管OS如何调度线程，每个线程始终在做有用的事情。**

**（2）lock-free：不管OS如何调度线程，至少有一个线程在做有用的事情。**

因此，如果服务中有了锁，有可能拿到锁的线程去做IO，等待；其他线程又依赖这个锁，整个线程没有做有用的事情，因此有锁一定不是lock-free，更不可能是wait-free。

**7、纠正悖论**

使用lock-free或者wait-free并不一定会使性能加快，但是能保证一件事情总能在确定的时间完成。

why？

（1）race-condition和aba问题比用锁更复杂；

（2）使用锁会是race发生时，尝试另一个途径避免竞争，高度竞争的时候规避了cacheline同步，能让拿到锁的线程很快独占完成流程。减少不必要的上下文开销。

使用锁导致低性能往往有两种原因：

（1）临界区过大，导致并发度下降；

（2）临界区过小，使用锁上下文切换占据了更多的耗时。

面对第一种情况，即便是采用无锁，需要写复杂的代码让并发的线程执行串行化，反而会增加了多核之间互相跳转，降低Cache的命中率，增加开销；

面对第二种情况，这时候采用原子指令会增加速度，因为减去了占去大头的上下文切换耗时。

**8、概念**

内存模型（指令重排）

实际上，内存模型是一个比较泛的概念，通常是硬件上的概念：表示机器指令（汇编指令）以什么样的顺序执行被处理器执行。值得注意的是，出于性能和效率上的考虑，现代处理器并不总是逐条执行机器指令的，可以简单理解为：处理器的执行顺序并不总是和代码顺序一致。如此也就导致了在某些情况下，程序的运行结果并不是所期待的结果。如：

int a;
    int b;
    void Func() {
        int t = 1;
        a = t;
        b = 2;
    }

上面的代码被编译为机器指令之后可能会是这样：

1. load reg3 , 1;
    2. mov reg4, reg3;
    3. store reg4, a;
    4. load reg5, 2;
    5. store reg5, b;

大部分时候，上面的伪汇编代码按照“1>2>3>4>5”这样的顺序执行，但是从上面的代码中可以看到：指令1、2、3和指令4、5在运行顺序上毫无影响，在某些CPU上可能会按照“1>4>2>5>3”这样的顺序执行，这就是所谓的指令重排。在足够复杂的情况下，指令重排会导致无法得到正确的结果。

**9、总结**

**（1）无锁化并一定能带来高性能，但一定能保证一件事情在确定的时间内完成；**

**（2）使用无锁化会带来两个问题：性能和crash；**

**（3）面对无锁化使用的性能问题：采用规避原则，尽可能多核少共享内存资源，少同时操作一个资源；**

**（4）面对无锁化crash问题，分析了原因是指令重排序，引入了memory\_order，制定相应的模型规定指令的执行先后顺序，将多核指令cacheline。**

**（5）临界区较大一定上锁，小临界区尽可能用原子指令。**

### **看了很多博客，发现讲的都不是特别清楚，如果有读者有反对意见，欢迎讨论！** ###