为什么 Ruby 中数组的 << 操作不是原子的？答案

【问题标题】：Why is the << operation on an array in Ruby not atomic?为什么 Ruby 中数组的 << 操作不是原子的？
【发布时间】：2013-07-19 20:40:28
【问题描述】：

在 Ruby 中，如果 array 被多个线程修改，则此代码不是线程安全的：

array = []
array << :foo # many threads can run this code

为什么<< 操作不是线程安全的？

【问题讨论】：

标签： ruby multithreading thread-safety atomic

【解决方案1】：

实际上使用 MRI（Matz 的 Ruby 实现），GIL（全局解释器锁）可以使任何纯 C 函数原子化。

由于Array#<< 在 MRI 中被实现为纯 C 代码，因此该操作将是原子的。但请注意，这仅适用于 MRI。在 JRuby 上，情况并非如此。

为了完全理解发生了什么，我建议你阅读这两篇文章，它们很好地解释了一切：

Nobody Understands the GIL
Nobody Understands the GIL - part 2

【讨论】：

链接失效了
@Dennis 感谢您的报告。我用 Wayback Machine 链接替换了它们。现在应该可以工作了。

【解决方案2】：

如果您有多个线程访问同一个数组，请使用 Ruby 的内置 Queue 类。它很好地处理了生产者和消费者。

这是文档中的示例：

require 'thread'

queue = Queue.new

producer = Thread.new do
  5.times do |i|
    sleep rand(i) # simulate expense
    queue << i
    puts "#{i} produced"
  end
end

consumer = Thread.new do
  5.times do |i|
    value = queue.pop
    sleep rand(i/2) # simulate expense
    puts "consumed #{value}"
  end
end

consumer.join

【讨论】：

【解决方案3】：

array 是您应用<< 之类的操作时的程序变量。它分三步进行：

首先将变量复制到 CPU 寄存器中。
CPU 执行计算。
CPU 将结果写回变量内存。

所以这个高级的单一操作分三步执行。在这些步骤之间，由于线程上下文切换，其他线程可能读取变量的相同（旧）值。这就是为什么它不是原子操作。

【讨论】：

您可能喜欢阅读：Atomic Operations in Ruby
你读过这个吗？ Updated with Jörg's Sept 2011 comment
@theTinMan 非常感谢！我的英语很差:(但我仔细注意到你和以前对我的答案进行了编辑，我会在下一个答案中改进。谢谢！
没关系。不需要谢谢。这是我们回馈社区的一部分。
这是 C 或汇编中的数组操作。在 Ruby 中，它还涉及方法查找、参数处理等。

【解决方案4】：

因为 Ruby 是一种非常高级的语言，所以在操作系统级别上没有什么是真正原子的。只有非常简单的汇编操作在 OS 级别是原子的（OS 依赖），而每个 Ruby 操作，即使是一个简单的1 + 1 对应于执行的数百或数千条汇编指令，例如方法查找、垃圾收集、对象初始化、范围计算等。

如果您需要使操作原子化，请使用互斥锁。

【讨论】：

【解决方案5】：

只是模仿@Linuxios 和@TheTinMan：高级语言（HLL）操作通常不是原子的。原子性（通常）在单线程程序中不是问题。在多线程程序中，您（程序员）必须以比单个 HLL 操作更高的粒度对其进行推理，因此具有原子的单个 HLL 操作实际上对您没有太大帮助。另一方面，尽管使 HLL 操作成为原子操作前后只需要几条机器指令——至少在现代硬件上——静态（二进制大小）和动态（执行时间）开销加起来。更糟糕的是，显式原子性几乎禁用了所有优化，因为编译器无法跨原子操作移动指令。没有真正的好处 + 巨大的成本 = 无法启动。

【讨论】：