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C无锁(lockfree)数据结构与有锁数据结构相比,速度,性能等有何区别

在现代多核CPU中,提升性能的重点的不在于有锁还是无锁,而是尽可能减少核间通讯。要减少核间通讯,就要减少写竞争,要减少写竞争,最直接的途径就是细化锁粒度。

一、C无锁(lockfree)数据结构与有锁数据结构相比

在现代多核 CPU 中,提升性能的重点的不在于有锁还是无锁,而是尽可能减少核间通讯。

要减少核间通讯,就要减少写竞争,要减少写竞争,最直接的途径就是细化锁粒度,这不是一件容易的事,无锁数据结构也不是一件容易的事,好的无锁数据结构实现一般会同时细化锁粒度。比如并发队列需要几个锁?再细分一下 spsc, spmc, mpsc, mpmc,又各自需要哪些锁?

实际上,很多所谓的 LockFree 数据结构的实现,只是使用 user spin lock + yield 代替 mutex,这种锁实际上不 scale,并且不 fair,要极力避免干这种事。

LockFree 实际上仍然有锁,只是把它移到了用户代码,理想条件下,竞争应该非常罕见,锁的作用就是在这种非常罕见的情况下,保证并发程序正确地按照预期顺序执行。如果竞争率很高,那不管是有锁还是无锁,性能损失都是非常大的。

例如在 RocksDB 中,并发写 MemTable 时就使用了非常激进的 spin,导致并发写较高时大量 CPU 都浪费在 spin 上了,ToplingDB 反其道而行,把这一块改成了发生竞争时优先 wait(使用 futex),把 cpu 让出来,起到很好的效果,避免了 CPU 的浪费。

延伸阅读:

二、无锁数据结构的好处

主要原因: 将并发最大化。

使用基于锁的容器, 会让线程阻塞或等待; 互斥锁削弱了结构的并发性。 在无锁数据结构中, 某些线程可以逐步执行。 在无等待数据结构中, 无论其他线程当时在做什么, 每一个线程都可以转发进度。

健壮性:

如果线程在持有锁的同时死亡,那么该数据结构将永远被破坏。但是,如果线程在对无锁数据结构的操作中途中途死亡,则除了该线程的数据外,什么都不会丢失。其他线程可以正常进行。

死锁活锁问题:

死锁问题不会困扰无锁数据结构; 无等待的代码不会被活锁所困扰,因其操作执行步骤是有上限的。

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