18 如何用硬件同步原语(CAS)替代锁?

你好,我是李玥。上节课,我们一起学习了如何使用锁来保护共享资源,你也了解到,使用锁是有一定性能损失的,并且,如果发生了过多的锁等待,将会非常影响程序的性能。

在一些特定的情况下,我们可以使用硬件同步原语来替代锁,可以保证和锁一样的数据安全性,同时具有更好的性能。

在今年的 NSDI(NSDI 是 USENIX 组织开办的关于网络系统设计的著名学术会议)上,伯克利大学发表了一篇论文《Confluo: Distributed Monitoring and Diagnosis Stack for High-speed Networks》,这个论文中提到的 Confluo,也是一个类似于消息队列的流数据存储,它的吞吐量号称是 Kafka 的 4~10 倍。对于这个实验结论我个人不是很认同,因为它设计的实验条件对 Kafka 来说不太公平。但不可否认的是,Confluo 它的这个设计思路是一个创新,并且实际上它的性能也非常好。

Confluo 是如何做到这么高的吞吐量的呢?这里面非常重要的一个创新的设计就是,它使用硬件同步原语来代替锁,在一个日志上(你可以理解为消息队列中的一个队列或者分区),保证严格顺序的前提下,实现了多线程并发写入。

今天,我们就来学习一下,如何用硬件同步原语(CAS)替代锁?

什么是硬件同步原语?

为什么硬件同步原语可以替代锁呢?要理解这个问题,你要首先知道硬件同步原语是什么。

硬件同步原语(Atomic Hardware Primitives)是由计算机硬件提供的一组原子操作,我们比较常用的原语主要是 CAS 和 FAA 这两种。

CAS(Compare and Swap),它的字面意思是:先比较,再交换。我们看一下 CAS 实现的伪代码:

<< atomic >>
function cas(p : pointer to int, old : int, new : int) returns bool {
    if *p ≠ old {
        return false
    }
    *p ← new
    return true
}

它的输入参数一共有三个,分别是:

返回的是一个布尔值,标识是否赋值成功。

通过这个伪代码,你就可以看出 CAS 原语的逻辑,非常简单,就是先比较一下变量 p 当前的值是不是等于 old,如果等于,那就把变量 p 赋值为 new,并返回 true,否则就不改变变量 p,并返回 false。

这是 CAS 这个原语的语义,接下来我们看一下 FAA 原语(Fetch and Add):

<< atomic >>
function faa(p : pointer to int, inc : int) returns int {
    int value <- *location
    *p <- value + inc
    return value
}

FAA 原语的语义是,先获取变量 p 当前的值 value,然后给变量 p 增加 inc,最后返回变量 p 之前的值 value。

讲到这儿估计你会问,这两个原语到底有什么特殊的呢?

上面的这两段伪代码,如果我们用编程语言来实现,肯定是无法保证原子性的。而原语的特殊之处就是,它们都是由计算机硬件,具体说就是 CPU 提供的实现,可以保证操作的原子性。

我们知道,原子操作具有不可分割性,也就不存在并发的问题。所以在某些情况下,原语可以用来替代锁,实现一些即安全又高效的并发操作。

CAS 和 FAA 在各种编程语言中,都有相应的实现,可以来直接使用,无论你是使用哪种编程语言,它们底层的实现是一样的,效果也是一样的。

接下来,还是拿我们熟悉的账户服务来举例说明一下,看看如何使用 CAS 原语来替代锁,实现同样的安全性。

CAS 版本的账户服务

假设我们有一个共享变量 balance,它保存的是当前账户余额,然后我们模拟多个线程并发转账的情况,看一下如何使用 CAS 原语来保证数据的安全性。

这次我们使用 Go 语言来实现这个转账服务。先看一下使用锁实现的版本:

package main
 
import (
	"fmt"
	"sync"
)
 
func main() {
	// 账户初始值为 0 元
	var balance int32
	balance = int32(0)
	done := make(chan bool)
	// 执行 10000 次转账,每次转入 1 元
	count := 10000
 
	var lock sync.Mutex
 
	for i := 0; i < count; i++ {
		// 这里模拟异步并发转账
		go transfer(&balance, 1, done, &lock)
	}
	// 等待所有转账都完成
	for i := 0; i < count; i++ {
		<-done
	}
	// 打印账户余额
	fmt.Printf("balance = %d \n", balance)
}
// 转账服务
func transfer(balance *int32, amount int, done chan bool, lock *sync.Mutex) {
	lock.Lock()
	*balance = *balance + int32(amount)
	lock.Unlock()
	done <- true
}

这个例子中,我们让账户的初始值为 0,然后启动多个协程来并发执行 10000 次转账,每次往账户中转入 1 元,全部转账执行完成后,账户中的余额应该正好是 10000 元。

如果你没接触过 Go 语言,不了解协程也没关系,你可以简单地把它理解为进程或者线程都可以,这里我们只是希望能异步并发执行转账,我们并不关心这几种“程”他们之间细微的差别。

这个使用锁的版本,反复多次执行,每次 balance 的结果都正好是 10000,那这段代码的安全性是没问题的。接下来我们看一下,使用 CAS 原语的版本。

func transferCas(balance *int32, amount int, done chan bool) {
	for {
		old := atomic.LoadInt32(balance)
		new := old + int32(amount)
		if atomic.CompareAndSwapInt32(balance, old, new) {
			break
		}
	}
	done <- true
}

这个 CAS 版本的转账服务和上面使用锁的版本,程序的总体结构是一样的,主要的区别就在于,“异步给账户余额 +1”这一小块儿代码的实现。

那在使用锁的版本中,需要先获取锁,然后变更账户的值,最后释放锁,完成一次转账。我们可以看一下使用 CAS 原语的实现:

首先,它用 for 来做了一个没有退出条件的循环。在这个循环的内部,反复地调用 CAS 原语,来尝试给账户的余额 +1。先取得账户当前的余额,暂时存放在变量 old 中,再计算转账之后的余额,保存在变量 new 中,然后调用 CAS 原语来尝试给变量 balance 赋值。我们刚刚讲过,CAS 原语它的赋值操作是有前置条件的,只有变量 balance 的值等于 old 时,才会将 balance 赋值为 new。

我们在 for 循环中执行了 3 条语句,在并发的环境中执行,这里面会有两种可能情况:

一种情况是,执行到第 3 条 CAS 原语时,没有其他线程同时改变了账户余额,那我们是可以安全变更账户余额的,这个时候执行 CAS 的返回值一定是 true,转账成功,就可以退出循环了。并且,CAS 这一条语句,它是一个原子操作,赋值的安全性是可以保证的。

另外一种情况,那就是在这个过程中,有其他线程改变了账户余额,这个时候是无法保证数据安全的,不能再进行赋值。执行 CAS 原语时,由于无法通过比较的步骤,所以不会执行赋值操作。本次尝试转账失败,当前线程并没有对账户余额做任何变更。由于返回值为 false,不会退出循环,所以会继续重试,直到转账成功退出循环。

这样,每一次转账操作,都可以通过若干次重试,在保证安全性的前提下,完成并发转账操作。

其实,对于这个例子,还有更简单、性能更好的方式:那就是,直接使用 FAA 原语。

func transferFaa(balance *int32, amount int, done chan bool) {
	atomic.AddInt32(balance, int32(amount))
	done <- true
}

FAA 原语它的操作是,获取变量当前的值,然后把它做一个加法,并且保证这个操作的原子性,一行代码就可以搞定了。看到这儿,你可能会想,那 CAS 原语还有什么意义呢?

在这个例子里面,肯定是使用 FAA 原语更合适,但是我们上面介绍的,使用 CAS 原语的方法,它的适用范围更加广泛一些。类似于这样的逻辑:先读取数据,做计算,然后更新数据,无论这个计算是什么样的,都可以使用 CAS 原语来保护数据安全,但是 FAA 原语,这个计算的逻辑只能局限于简单的加减法。所以,我们上面讲的这种使用 CAS 原语的方法并不是没有意义的。

另外,你需要知道的是,这种使用 CAS 原语反复重试赋值的方法,它是比较耗费 CPU 资源的,因为在 for 循环中,如果赋值不成功,是会立即进入下一次循环没有等待的。如果线程之间的碰撞非常频繁,经常性的反复重试,这个重试的线程会占用大量的 CPU 时间,随之系统的整体性能就会下降。

缓解这个问题的一个方法是使用 Yield(), 大部分编程语言都支持 Yield() 这个系统调用,Yield() 的作用是,告诉操作系统,让出当前线程占用的 CPU 给其他线程使用。每次循环结束前调用一下 Yield() 方法,可以在一定程度上减少 CPU 的使用率,缓解这个问题。你也可以在每次循环结束之后,Sleep() 一小段时间,但是这样做的代价是,性能会严重下降。

所以,这种方法它只适合于线程之间碰撞不太频繁,也就是说绝大部分情况下,执行 CAS 原语不需要重试这样的场景。

小结

这节课我们一起学习了 CAS 和 FAA 这两个原语。这些原语,是由 CPU 提供的原子操作,在并发环境中,单独使用这些原语不用担心数据安全问题。在特定的场景中,CAS 原语可以替代锁,在保证安全性的同时,提供比锁更好的性能。

接下来,我们用转账服务这个例子,分别演示了 CAS 和 FAA 这两个原语是如何替代锁来使用的。对于类似:“先读取数据,做计算,然后再更新数据”这样的业务逻辑,可以使用 CAS 原语 + 反复重试的方式来保证数据安全,前提是,线程之间的碰撞不能太频繁,否则太多重试会消耗大量的 CPU 资源,反而得不偿失。