go 自旋锁

原创

Johns

发布于 2022-07-12 13:25:30

9120

发布于 2022-07-12 13:25:30

文章被收录于专栏：代码工具

定义

CAS算法（compare and swap）

CAS算法是一种有名的无锁算法, 在不使用锁的情况下实现多线程之间的变量同步，而且没有堵塞线程.

CAS基本步骤如下: 需要读写的内存值V==>进行比较的值A==>拟写入的新值B

当且仅当 V 的值等于 A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值;

否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。

自旋锁

自旋锁是指当一个线程在获取锁的时候，如果锁已经被其他线程获取，那么该线程将循环等待，然后不断地判断是否能够被成功获取，直到获取到锁才会退出循环。通过死循环检测锁的标志位, 避免了上下文切换的开销, 但是自旋会消耗CPU资源。

自旋锁就主要用在临界区持锁时间非常短且CPU资源不紧张的情况下，自旋锁一般用于多核的服务器。

互斥锁

对于线程A和线程B来讲，在同一时刻，只允许一个线程对临界资源进行操作，即当A加锁进入临界区对资源操作时，B就必须等待；当A执行完释放锁，退出临界区后，B才能对临界资源进行操作。线程会从 sleep（加锁）—>running（解锁），过程中有上下文的切换，cpu的抢占，信号的发送等开销。

所以一般用于临界区持锁时间比较长的操作。

自旋锁实现

基础版本

go官方提供了atomic算法相关的包, 我们可以使用它直接实现一个自旋锁

package main

import (
	"runtime"
	"sync"
	"sync/atomic"
)
type originSpinLock uint32

func (sl *originSpinLock) Lock() {
	for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
		runtime.Gosched()
	}
}

func (sl *originSpinLock) Unlock() {
	atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
}

func NewOriginSpinLock() sync.Locker {
	return new(originSpinLock)
}

增加重试指数退避算法

package main

import (
	"runtime"
	"sync"
	"sync/atomic"
)

type spinLock uint32

const maxBackoff = 16

// Lock 加锁
func (sl *spinLock) Lock() {
	backoff := 1
	for !atomic.CompareAndSwapUint32((*uint32)(sl), 0, 1) {
		// Leverage the exponential backoff algorithm, see https://en.wikipedia.org/wiki/Exponential_backoff.
		for i := 0; i < backoff; i++ {
			runtime.Gosched()
		}
		if backoff < maxBackoff {
			backoff <<= 1
		}
	}
}

//  Unlock 解锁
func (sl *spinLock) Unlock() {
	atomic.StoreUint32((*uint32)(sl), 0)
}

// NewSpinLock instantiates a spin-lock.
func NewSpinLock() sync.Locker {
	return new(spinLock)
}

性能测试

package main

import "testing"

func BenchmarkOriginSpinLock(b *testing.B) {
	spin := NewOriginSpinLock()
	b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
		for pb.Next() {
			spin.Lock()
			//nolint:staticcheck
			spin.Unlock()
		}
	})
}

func BenchmarkSpinLock(b *testing.B) {
	spin := NewSpinLock()
	b.RunParallel(func(pb *testing.PB) {
		for pb.Next() {
			spin.Lock()
			//nolint:staticcheck
			spin.Unlock()
		}
	})
}

测试结果

goos: darwin
goarch: amd64
pkg: github.com/guirongguo/ghz_demo
cpu: Intel(R) Core(TM) i7-9750H CPU @ 2.60GHz
BenchmarkOriginSpinLock
BenchmarkOriginSpinLock-12    	47265601	        21.54 ns/op
BenchmarkSpinLock
BenchmarkSpinLock-12          	66324406	        18.29 ns/op