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無(wú)鎖隊(duì)列

先大致介紹一下無(wú)鎖隊(duì)列。無(wú)鎖隊(duì)列的根本是CAS函數(shù)——CompareAndSwap，即比較并交換，函數(shù)功能可以用C++函數(shù)來(lái)說(shuō)明：

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval)
{
int old_reg_val = *reg;
if (old_reg_val == oldval)
*reg = newval;
return old_reg_val;
}

它將reg的值與oldval的值進(jìn)行對(duì)比，若相同則將reg賦新值。注意以上操作是原子操作。大部分語(yǔ)言都有提供CAS支持，不過(guò)函數(shù)原型可能有些微的不同，許多語(yǔ)言（包括go）中CAS的返回值是標(biāo)識(shí)是否賦值成功的bool值。

無(wú)鎖隊(duì)列則是以CAS來(lái)實(shí)現(xiàn)同步的一種隊(duì)列，我的具體實(shí)現(xiàn)這里就不貼出來(lái)了，有點(diǎn)冗長(zhǎng)，文末給出了源碼地址。這里僅僅大致給出實(shí)現(xiàn)思路，網(wǎng)上關(guān)于無(wú)鎖隊(duì)列的資料很多，這里就不詳細(xì)說(shuō)了。

EnQueue(x) //進(jìn)隊(duì)列改良版
{
q = new record();
q->value = x;
q->next = NULL;

p = tail;
oldp = p
do {
while (p->next != NULL)
p = p->next;
} while( CAS(p.next, NULL, q) != TRUE); //如果沒(méi)有把結(jié)點(diǎn)鏈在尾上，再試

CAS(tail, oldp, q); //置尾結(jié)點(diǎn)
}

DeQueue() //出隊(duì)列
{
do{
p = head;
if (p->next == NULL){
return ERR_EMPTY_QUEUE;
}
while( CAS(head, p, p->next) != TRUE );
return p->next->value;
}

自旋鎖

自旋鎖是加鎖失敗時(shí)接著循環(huán)請(qǐng)求加鎖，直到成功。它的特點(diǎn)是不會(huì)釋放CPU，故也沒(méi)有互斥鎖那種內(nèi)核態(tài)切換操作，但缺點(diǎn)也很明顯，就是會(huì)一直占用CPU，理論上適用于臨界區(qū)小、不需要長(zhǎng)時(shí)間加鎖的場(chǎng)景。這里只貼鎖的相關(guān)代碼，隊(duì)列的實(shí)現(xiàn)就不貼了：

// 自旋鎖
type spinMutex struct {
mutex int32
}
const locked = 1
const unlocked = 0
func (spin *spinMutex) lock() {
for !atomic.CompareAndSwapInt32(&spin.mutex, unlocked, locked) {}
}
func (spin *spinMutex) unlock() {
atomic.SwapInt32(&spin.mutex, unlocked)
}

互斥鎖

這個(gè)沒(méi)什么好說(shuō)的，用的golang自帶的互斥鎖sync.Mutex。

測(cè)試

下面將分2種場(chǎng)景進(jìn)行測(cè)試：分別是高并發(fā)和低并發(fā)。高并發(fā)我用4個(gè)協(xié)程往隊(duì)列中push數(shù)據(jù)，4個(gè)協(xié)程從隊(duì)列中pop數(shù)據(jù)（雖然不是很高，但足以區(qū)分性能，就沒(méi)測(cè)太高并發(fā)了，畢竟測(cè)一次等的太久也累）；低并發(fā)不好模擬，于是我干脆極端點(diǎn)改為無(wú)并發(fā)——先順序?qū)懀夙樞蜃x。

無(wú)并發(fā)

大致測(cè)試代碼結(jié)構(gòu)如下（刪減了不關(guān)鍵的語(yǔ)句）：

t1 := time.Now()
for i := 1; i <= dataNum; i++ {
suc := queue.PushBack(i)
}
queue.Disable()

for {
val, enable := queue.PopFront()
if !enable {
break
}
}
fmt.Println("用時(shí)：", time.Since(t1))

為了方便對(duì)比，我特地還增加了不加鎖的隊(duì)列的測(cè)試結(jié)果。測(cè)試結(jié)果如下：（左側(cè)為dataNum數(shù)據(jù)量）

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可以看到數(shù)據(jù)量小的時(shí)候性能差別還不明顯，甚至cas還有少許的優(yōu)勢(shì)。但數(shù)據(jù)量一大就很明顯的看出自旋鎖的效率會(huì)高一點(diǎn)，cas次之。不過(guò)它們差別都不大。

高并發(fā)

這里用4個(gè)生產(chǎn)者4個(gè)消費(fèi)者共用一個(gè)隊(duì)列來(lái)模擬高并發(fā)。測(cè)試代碼結(jié)構(gòu)如下：

func test() {
wgr := sync.WaitGroup{}
wgw := sync.WaitGroup{}
t1 := time.Now()
for i := 0; i < 4; i++ {
wgr.Add(1)
go reader(i*1000000, &wgr)
}
for i := 0; i < 4; i++ {
wgw.Add(1)
go writter(&wgw)
}
wgr.Wait()
queue.Disable()
wgw.Wait()
fmt.Println("用時(shí)：", time.Since(t1))
}
func reader(startNum int, wg *sync.WaitGroup) {
for i := 0; i < dataNum; i++ {
suc := queue.PushBack(startNum + i)
for !suc {
suc = queue.PushBack(startNum + i)
}
}
wg.Done()
}
func writter(wg *sync.WaitGroup) {
for {
r, enable := queue.PopFront()
if enable == false {
break
}
if r == defaultVal {
continue
}
}
wg.Done()
}

這種情況下就沒(méi)法測(cè)試無(wú)鎖隊(duì)列了，數(shù)據(jù)都不完整（已驗(yàn)證）。測(cè)試結(jié)果如下，左側(cè)為讀/寫(xiě)協(xié)程數(shù)*dataNum數(shù)據(jù)量（下面讀/寫(xiě)協(xié)程數(shù)為4指總共開(kāi)了8個(gè)協(xié)程）：

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可以看到cas有巨大的性能優(yōu)勢(shì)，甚至達(dá)到了3到5倍的性能差距，說(shuō)明這個(gè)思路還是可行的！（先開(kāi)始被chan打擊到了）反倒是自旋鎖的性能最差，這個(gè)倒有些出乎我的意料，按照我的理解在這種頻繁加鎖解鎖的情況下自旋鎖的性能應(yīng)該更好才對(duì)，若有知情人士望告知。

分析

為了對(duì)這幾種鎖的性能特點(diǎn)有更深入的分析，這里還補(bǔ)充了幾組測(cè)試，分別用了不同的協(xié)程數(shù)和數(shù)據(jù)量進(jìn)行補(bǔ)充測(cè)試：

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可以很明顯的看到一個(gè)趨勢(shì)——隨著并發(fā)度增加，自旋鎖的性能急劇下降，由無(wú)并發(fā)時(shí)的與cas性能幾乎一樣到最后與cas將近7倍的效率差。而mutex和cas情況下，隨著并發(fā)度增加，性能影響并不大，下面將前面的測(cè)試數(shù)據(jù)重新組織一下方便對(duì)比：

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可以看到總數(shù)據(jù)量不變的情況下，并發(fā)協(xié)程數(shù)對(duì)mutex和cas的影響非常小，基本在波動(dòng)范圍以內(nèi)。相較之下自旋鎖就比較慘了。

總結(jié)

**根據(jù)上面的結(jié)果來(lái)說(shuō)的話，當(dāng)實(shí)際競(jìng)爭(zhēng)特別小的時(shí)候，可以考慮用自旋鎖；而并發(fā)大的時(shí)候，用無(wú)鎖隊(duì)列這種結(jié)構(gòu)有很大潛在優(yōu)勢(shì)。**之所以說(shuō)潛在的是因?yàn)槲乙矁H僅是簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)某種結(jié)構(gòu)，肯定有考慮不全的地方，我寫(xiě)這個(gè)無(wú)鎖例子主要用于測(cè)試，也沒(méi)打算用于實(shí)際場(chǎng)景中。但是我盡量保證了同樣的代碼結(jié)構(gòu)下，最大化各個(gè)鎖結(jié)構(gòu)對(duì)性能的影響。總的來(lái)說(shuō)，本文測(cè)試結(jié)果僅作參考，希望能有拋磚引玉的效果。

最后，再附上源碼地址：https://github.com/HandsomeRosin/lockfree

更新：

針對(duì)自旋鎖效率低下的問(wèn)題我仔細(xì)想了想，應(yīng)該是原子操作cas耗時(shí)的問(wèn)題（畢竟在無(wú)并發(fā)情況下，cas和真正不加鎖還是有很大的性能差距）。于是對(duì)自旋鎖的代碼進(jìn)行了微調(diào)，減少了CAS的調(diào)用次數(shù)：（被注釋掉的是原本的代碼邏輯）

func (spin *spinMutex) lock() {
// for !atomic.CompareAndSwapInt32(&spin.mutex, unlocked, locked) {}
BEGINING:
for spin.mutex != unlocked {}
if !atomic.CompareAndSwapInt32(&spin.mutex, unlocked, locked) {
goto BEGINING
}
}

事實(shí)證明，這樣做效率確實(shí)提高了約1/4，不過(guò)還是改變不了它的大趨勢(shì)（與cas和mutex的性能差距依舊巨大），所以就沒(méi)更新前面的測(cè)試數(shù)據(jù)了。

不過(guò)這也佐證了CAS也是比較耗時(shí)的一個(gè)操作，平時(shí)還是不能肆意使用。

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