从 GCC 原子操作构建的轻量级自旋锁？

Question

我想在我的项目中尽可能减少同步并编写无锁代码。当绝对必要时，我很想用原子操作构建的轻量级自旋锁代替 pthread 和 win32 互斥锁。我的理解是，这些是底层的系统调用，可能会导致上下文切换（这对于非常快速的关键部分可能是不必要的，只需旋转几次就可以了）。

我所指的原子操作在此处有详细记录：http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc-4.4.1/gcc/Atomic-Builtins.html

这里有一个例子来说明我在说什么。想象一个可能有多个读取器和写入器的 RB-tree。 RBTree::exists() 是只读且线程安全的，RBTree::insert() 需要单个写入者（并且没有读取者）的独占访问才能安全。一些代码：

class IntSetTest
{
private:
    unsigned short lock;
    RBTree<int>* myset;

public:
    // ...

    void add_number(int n)
    {
        // Aquire once locked==false (atomic)
        while (__sync_bool_compare_and_swap(&lock, 0, 0xffff) == false);

        // Perform a thread-unsafe operation on the set
        myset->insert(n);

        // Unlock (atomic)
        __sync_bool_compare_and_swap(&lock, 0xffff, 0);
    }

    bool check_number(int n)
    {
        // Increment once the lock is below 0xffff
        u16 savedlock = lock;
        while (savedlock == 0xffff || __sync_bool_compare_and_swap(&lock, savedlock, savedlock+1) == false)
            savedlock = lock;

        // Perform read-only operation    
        bool exists = tree->exists(n);

        // Decrement
        savedlock = lock;
        while (__sync_bool_compare_and_swap(&lock, savedlock, savedlock-1) == false)
            savedlock = lock;

        return exists;
    }
};

（假设它不需要是异常安全的）

这段代码真的是线程安全的吗？这个想法有什么优点/缺点吗？有什么建议吗？如果线程不是真正并发的，那么使用这样的自旋锁是不是一个坏主意？

提前致谢。 ;)

Answer 1

你需要lock 上的volatile 限定符，我也将它设为sig_atomic_t。如果没有 volatile 限定符，此代码：

    u16 savedlock = lock;
    while (savedlock == 0xffff || __sync_bool_compare_and_swap(&lock, savedlock, savedlock+1) == false)
        savedlock = lock;

在 while 循环体中更新 savedlock 时可能不会重新读取 lock。考虑lock 为0xffff 的情况。然后，savedlock 将在检查循环条件之前为 0xffff，因此while 条件将在调用__sync_bool_compare_and_swap 之前短路。由于__sync_bool_compare_and_swap 没有被调用，编译器不会遇到内存屏障，所以它可以合理地假设lock 的值在你下面没有改变，并避免在savedlock 中重新加载它。

回复：sig_atomic_t，here 的讨论很不错。适用于信号处理程序的相同注意事项也适用于线程。

通过这些更改，我猜您的代码将是线程安全的。不过，我仍然建议使用互斥锁，因为您真的不知道在一般情况下您的 RB-tree 插入需要多长时间（根据我之前的问题中的 cmets）。

Answer 2

值得注意的是，如果您使用的是 Win32 互斥锁，那么从 Vista 开始，为您提供了一个线程池。根据您使用 RB 树的目的，您可以用它替换。

另外，您应该记住的是原子操作并不是特别快。微软说它们有几百个周期。

与其尝试以这种方式“保护”函数，不如简单地同步线程（更改为 SIMD/线程池方法，或者仅使用互斥锁）可能更有效。

但是，当然，如果没有看到您的代码，我真的无法再制作任何 cmets。多线程的问题在于您必须查看某人的整个模型才能理解它。