1.         缘起 

随着SMP(Symmetrical Multi-Processing)架构的流行和epoll类系统调用对非阻塞fd监视的支持,高性能服务器端的开发已经能够实现CPU计算和IO的分离。为了充分发挥CPU的计算能力,服务器端的设计必须要尽量减少线程切换。引起线程切换最重要的原因之一就是对mutex和semaphor等锁的使用。本文从计算机体系架构、操作系统的支持和mutex的实现彻底分析Linux用户空间mutex的实现,分析的源码版本是glib-2.3.4和kernel-2.6.8。  
2.         体系结构和指令的支持 
在UP(uni processor)架构下,从用户空间的角度看,中断打断了程序的正常执行。操作系统在处理完中断之后,返回用户空间的之前,重新调度系统中的线程执行。由于CPU是在执行汇编指令结束后响应中断,那么单条汇编指令的执行就是原子的。  
在SMP下,由于存在CPU Local Cache和每个CPU的指令周期不同,单条汇编指令的执行不会是原子的。X86 SMP提供了一个lock指令前缀,使得某些汇编指令的执行是原子的。看如下x86_64体系结构的汇编代码,来自glibc。  
Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 2中对cmpxchg指令的解释如下:  
This instruction can be used with a LOCK prefix to allow the instruction to be executed atomically.  
所有以lock为前缀的指令都起内存栅栏的作用。内存栅栏使编译器确保对RAM中数据的改变对所有CPU都是可见的。  
上述汇编对应的伪代码:  
  
 Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual Volume 2中对cmpxchg指令的解释如下:  
This instruction can be used with a LOCK prefix to allow the instruction to be executed atomically.  
 
 

 

by gaolingfei 
所有以lock为前缀的指令都起内存栅栏的作用。内存栅栏使编译器确保对RAM中数据的改变对所有CPU都是可见的。  
上述汇编对应的伪代码:  
  
 
 
3.         操作系统支持   
按照操作系统的经典定义,进程是资源分配的最小单位,线程是调度的最小单位。Linux操作系统提供了futex系统调用以支持mutex等锁的实现。futex的主要功能是使得线程以TASK_INTERRUPTIBLE状态等待处于进程空间的某变量的改变,或者使得某线程可以唤醒等待该变量的其他线程。  
实现wait的步骤如下:  
C.        计算key。如果是单进程单线程,Key为用户空间地址。如果为单进程多线程,需要执行spin_lock得到用户地址对应的page,然后spin_unlockpage_table_lock会影响相应进程的page fault的处理。  (&current->mm->page_table_lock)(&current->mm->page_table_lock);
E.         up_read  (&current->mm->mmap_sem);
H.        将自身从futex_hash_bucket移除。  
实现wake up的步骤如下:  
A.        执行waitAC。  
C.        唤醒在锁上的一个等待线程。  
D.        spin_unlock  (&bh->lock);
E.         up_read  (&current->mm->mmap_sem);
4.         pthread_mutex实现分析   
pthread_mutex_lock()实现在glibc-2.3.4 pthread_mutex_lock.c文件的33行,该函数会根据mutexinit的时候设置的属性,选择不同的执行路径。mutex的属性有四种:  
A.        PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP:默认属性。pthread_mutex_lock()直接调用lll_mutex_lock()。  
B.        PTHREAD_MUTEX_RECURSIVE_NP:检查 mutex owner 是否为当前线程。该属性允许线程多次获取该锁。  
C.        PTHREAD_MUTEX_ERRORCHECK_NP:如果同一线程两次lock,会返回错误。  
D.        PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP:该锁会先n次调用lll_mutex_trylock()n为用户定义和100的最小值。如果仍然失败,则调用lll_mutex_lock()lll_mutex_trylock()不会调用futex。  
5.         spin lock实现   
nginx实现了spin lock以保护多进程对listen port的互斥acceptspinlock的实现如下:  
 
 

 

Spinlock本质上是一个“忙等”锁,由于其不存在下节中总结的mutex的缺点,其对于小资源是最高效的锁。相比上节中mutexPTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP属性,nginxspinlock是一个更完美的实现方案。  
 
6.         总结  
在设置PTHREAD_MUTEX_TIMED_NP属性和单进程多线程模型下,pthread_mutex_lock()对同进程的其他线程的影响如下:  
A.        pthread_mutex_lock()占用的大部分CPU时间当中,直接影响其他线程调用mmap()brk()mallocfree()。  
B.        对进程处理page fault也会有影响。  
C.        如果整个操作系统的用户进程使用了过多的mutex之类的锁,那么所有锁共享的futex_hash_bucket将是一个瓶颈。  
D.        最重要的是,锁的使用会引起线程的频繁切换,导致cpu cache missTLB miss。  
对于系统中,需要互斥访问的资源,如下建议:  
A.        内核中对于小资源如链表的增删,多是使用spin lock保护。  
B.        在设置PTHREAD_MUTEX_ADAPTIVE_NP属性下,mutex既可以是spin lock,也可以是阻塞锁。  
C.        使用atomic_add_return(i, v),原子对变量i增加v值,并且返回操作后的值。相反操作:atomic_sub_return(i, v)。  
D.        使用Per-CPU variables,例如多线程程序中要每隔1秒,统计某项操作的值。该变量最好是cache alignment。  
E.         对于如数据库频繁更新的操作,可以使用数据库的多版本并发控制方法减少对mutexlock。