无锁编程实战演练

时间：2020-12-29 12:09:30

前段时间研究过一阵子无锁化编程。刚写了几个简单的程序，来验证了下自己学到的一些概念。

测试场景：假设有一个应用：现在有一个全局变量，用来计数，再创建10个线程并发执行，每个线程中循环对这个全局变量进行++操作（i++)，循环加2000000次。

所以很容易知道，这必然会涉及到并发互斥操作。下面通过三种方式来实现这种并发操作。并对比出其在效率上的不同之处。

这里先贴上代码，共5个文件：2个用于做时间统计的文件：timer.h  timer.cpp。这两个文件是临时封装的，只用来计时，可以不必细看。

 timer.h

#ifndef TIMER_H
#define TIMER_H

#include <sys/time.h>
class Timer
{
public:	
	Timer();
	// 开始计时时间
	void Start();
	// 终止计时时间
	void Stop();
	// 重新设定
	void Reset();
	// 耗时时间
	void Cost_time();
private:
	struct timeval t1;
	struct timeval t2;
	bool b1,b2;
};
#endif


timer.cpp

#include "timer.h"
#include <stdio.h>

Timer::Timer()
{
	b1 = false;
	b2 = false;
}
void Timer::Start()
{
	gettimeofday(&t1,NULL);  
	b1 = true;
	b2 = false;
}

void Timer::Stop()
{	
	if (b1 == true)
	{
		gettimeofday(&t2,NULL);  
		b2 = true;
	}
}

void Timer::Reset()
{	
	b1 = false;
	b2 = false;
}

void Timer::Cost_time()
{
	if (b1 == false)
	{
		printf("计时出错，应该先执行Start()，然后执行Stop()，再来执行Cost_time()");
		return ;
	}
	else if (b2 == false)
	{
		printf("计时出错，应该执行完Stop()，再来执行Cost_time()");
		return ;
	}
	else
	{
		int usec,sec;
		bool borrow = false;
		if (t2.tv_usec > t1.tv_usec)
		{
			usec = t2.tv_usec - t1.tv_usec;
		}
		else
		{
			borrow = true;
			usec = t2.tv_usec+1000000 - t1.tv_usec;
		}

		if (borrow)
		{
			sec = t2.tv_sec-1 - t1.tv_sec;
		}
		else
		{
			sec = t2.tv_sec - t1.tv_sec;
		}
		printf("花费时间:%d秒 %d微秒\n",sec,usec);
	}
}


传统互斥量加锁方式 lock.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <time.h>
#include "timer.h"

pthread_mutex_t mutex_lock;
static volatile int count = 0;
void *test_func(void *arg)
{
        int i = 0;
        for(i = 0; i < 2000000; i++)
		{
                pthread_mutex_lock(&mutex_lock);
                count++;
                pthread_mutex_unlock(&mutex_lock);
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
	Timer timer; // 为了计时，临时封装的一个类Timer。
	timer.Start();	// 计时开始
	pthread_mutex_init(&mutex_lock, NULL);
	pthread_t thread_ids[10];
	int i = 0;
	for(i = 0; i < sizeof(thread_ids)/sizeof(pthread_t); i++)
	{
		pthread_create(&thread_ids[i], NULL, test_func, NULL);
	}

	for(i = 0; i < sizeof(thread_ids)/sizeof(pthread_t); i++)
	{
		pthread_join(thread_ids[i], NULL);
	}

	timer.Stop();// 计时结束
	timer.Cost_time();// 打印花费时间
	printf("结果:count = %d\n",count);

	return 0;
}


no lock 不加锁的形式 nolock.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include "timer.h"

int mutex = 0;
int lock = 0;
int unlock = 1;

static volatile int count = 0;
void *test_func(void *arg)
{
        int i = 0;
        for(i = 0; i < 2000000; i++)
	{
		while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) ))usleep(100000);
		 count++;
		 __sync_bool_compare_and_swap (&mutex, unlock, 0);
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
	Timer timer;
	timer.Start();
	pthread_t thread_ids[10];
	int i = 0;

	for(i = 0; i < sizeof(thread_ids)/sizeof(pthread_t); i++)
	{
			pthread_create(&thread_ids[i], NULL, test_func, NULL);
	}

	for(i = 0; i < sizeof(thread_ids)/sizeof(pthread_t); i++)
	{
			pthread_join(thread_ids[i], NULL);
	}

	timer.Stop();
	timer.Cost_time();
	printf("结果:count = %d\n",count);

	return 0;
}


原子函数进行统计方式 atomic.cpp

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <pthread.h>
#include <unistd.h>
#include <time.h>
#include "timer.h"

static volatile int count = 0;
void *test_func(void *arg)
{
        int i = 0;
        for(i = 0; i < 2000000; i++)
        {
	        __sync_fetch_and_add(&count, 1);
        }
        return NULL;
}

int main(int argc, const char *argv[])
{
	Timer timer;
	timer.Start();
	pthread_t thread_ids[10];
	int i = 0;

	for(i = 0; i < sizeof(thread_ids)/sizeof(pthread_t); i++){
			pthread_create(&thread_ids[i], NULL, test_func, NULL);
	}

	for(i = 0; i < sizeof(thread_ids)/sizeof(pthread_t); i++){
			pthread_join(thread_ids[i], NULL);
	}

	timer.Stop();
	timer.Cost_time();
	printf("结果:count = %d\n",count);
    return 0;
}


#################################################################3

好，代码粘贴完毕。下面进入测试环节：

编译：

[adapter@ZHEJIANG test3]$ g++ lock.cpp ./timer.cpp  -lpthread -o lock ;
[adapter@ZHEJIANG test3]$ g++ nolock.cpp ./timer.cpp  -lpthread -o nolock ;
[adapter@ZHEJIANG test3]$  g++ atomic.cpp ./timer.cpp  -lpthread -o atomic ;

 

每一个线程循环加2000000次。
第一组测验
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./lock
花费时间:3秒 109807微秒
结果:count = 20000000
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock
花费时间:7秒 595784微秒
结果:count = 20000000
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./atomic
花费时间:0秒 381022微秒
结果:count = 20000000

结论：
可以看出，原子操作函数的速度是最快的，其他两种方式根本就没法比。而无锁操作是在原子操作函数的基础上形成的。
为什么无锁操作的效率会这么低?如果效率低的话，那还有什么意义，为什么现在大家都提倡无锁编程呢？为什么？咱先不
解释，先用数据说话。

第二组测验：
原子操作代码不变，加锁操作代码不变。改动一下无锁操作的代码。
将如下代码更改
while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) ));
更改后：while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) )) usleep(1);
让他睡一微秒。
为什么要这样改代码？这样启不是会更慢？你的猜测是不无道理的，但是一个不休息的人干的活未必比有休息的人干的活多。

[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./lock
花费时间:2秒 970773微秒
结果:count = 20000000
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock
花费时间:0秒 685404微秒
结果:count = 20000000
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./atomic
花费时间:0秒 380675微秒
结果:count = 20000000

结论：
不用明说，大家看到的结果是不是很诧异？是不是！有木有！怎么会是这样。无锁加上usleep(1)，睡一会，反而会变得这么快。
虽和原子操作相比次了一点，但已经甩开有锁同步好几条街了，无锁比有锁快是应该的，但为什么睡一会会更快，不睡就比有锁
还慢那么多呢？怎么回事。是不是这个测试的时候cpu出现了不稳定的事情。
那好，那再测试几次。
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock
花费时间:0秒 684938微秒
结果:count = 20000000
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock
花费时间:0秒 686039微秒
结果:count = 20000000
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock
花费时间:0秒 685928微秒
结果:count = 20000000

现在总没话可说了，这是事实！但为什么，我也不会解释。

很好奇，为什么越休息，效率越高。电脑是机器，它可不是人。怎么会这样？
那我就让它多休息一会：
 while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) ))usleep(10); //之前是1，现在改成10了。
 下面就再单独对比一个nolock无锁方式。
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock //usleep(1);
花费时间:0秒 686039微秒
结果:count = 20000000
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock //usleep(10);
花费时间:0秒 680307微秒
结果:count = 20000000
nolock,结果usleep(10)居然比uleep(1)还要快一点。

那么这样呢：
while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) ))usleep(100); //之前是10，现在改成100了。
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock //usleep(100)
花费时间:0秒 661935微秒
结果:count = 20000000
还是睡的越久，效率越高。

那我再试一下usleep(1000)
while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) ))usleep(1000); //之前是100，现在改成1000了。
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock // usleep(1000);
花费时间:0秒 652411微秒
结果:count = 20000000
还是睡的越久，效率越高。

那我再试一下usleep(10000)
while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) ))usleep(10000); //之前是1000，现在改成10000了。
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock
花费时间:0秒 626267微秒
结果:count = 20000000
还是睡的越久，效率越高。

那我再试一下usleep(100000)
while (!(__sync_bool_compare_and_swap (&mutex,lock, 1) ))usleep(100000); //之前是10000，现在改成100000了，也就是0.1秒。
[adapter@ZHEJIANG test3]$ ./nolock
花费时间:0秒 942445微秒
结果:count = 20000000
哦，现在开始速度慢了。

执行环境：
gcc版本信息：
[adapter@ZHEJIANG test3]$ g++ -v
Using built-in specs.
Target: x86_64-redhat-linux
gcc version 4.4.5 20110214 (Red Hat 4.4.5-6) (GCC)

cpu信息：
[adapter@ZHEJIANG test3]$ cat /proc/cpuinfo | grep name | cut -f2 -d: | uniq -c
      4  Intel(R) Core(TM) i5-3470 CPU @ 3.20GHz

通过编程测试及测试得出结论：
1、如果是想用全局变量来做统计操作。而又不得不考虑多线程间的互斥访问的话，最好使用编译器支持的原子操作函数。
再满足互斥访问的前提下，编程最简单，效率最高。
2、lock-free，无锁编程方式确实能够比传统加锁方式效率高，经上面测试可以发现，可以快到5倍左右。所以在高并发程序中
采用无锁编程的方式可以进一步提高程序效率。
3、但是，得对无锁方式有足够熟悉的了解，不然效率反而会更低。而且容易出错。
4、没想明白的疑问：为什么上面的循环检测时，加uleep比不加，效率更高。为什么在一定程度上，usleep越久效率越高？
请高手路过的时候，为小弟解答一下。谢谢。

 

 

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