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基于鎖的并發(fā)算法 vs 無鎖的并發(fā)算法

tomorrowwu / 2516人閱讀

摘要：測(cè)試吞吐量的時(shí)候，是通過每一種實(shí)現(xiàn)都重復(fù)測(cè)試超過次，每一次都運(yùn)行秒以上，以保證系統(tǒng)足夠預(yù)熱，下面的結(jié)果都是第次之后平均每秒吞吐量。以我的經(jīng)驗(yàn)看，教學(xué)和開發(fā)中的無鎖算法，不僅能顯著改善吞吐量同時(shí)他們也提供更低的延遲。

上周在由Heinz Kabutz通過JCrete?組織的開放空間會(huì)議(unconference)上，我參加一個(gè)新的java規(guī)范 JSR166?StampedLock 的審查會(huì)議。 StampedLock 是為了解決多個(gè)readers?并發(fā)訪問共享狀態(tài)時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)的內(nèi)存地址競(jìng)爭(zhēng)問題。在設(shè)計(jì)上通過使用樂觀的讀操作， StampedLock
比 ReentrantReadWriteLock 更加高效；

在會(huì)議期間，我突然意思到兩點(diǎn)：

我想是時(shí)候該去回顧java中鎖的實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)狀。

雖然StampedLock 看上去是JDK很好的補(bǔ)充，但是似乎忽略了一個(gè)事實(shí)，即在多個(gè)reader的場(chǎng)景里，無鎖的算法通常是更好的解決方案。

測(cè)試

為了比較不同的實(shí)現(xiàn)方式，我需要采用一種不偏向任意一方的API測(cè)試用例。 比如：API必須不產(chǎn)生垃圾、并且允許方法是原子性的。一個(gè)簡(jiǎn)單的測(cè)試用例是設(shè)計(jì)一個(gè)可在兩維空間中移動(dòng)其位置的太空船，它位置的坐標(biāo)可以原子性的讀?。幻恳淮问挛锢镏辽傩枰x寫2個(gè)域，這使得并發(fā)變得非常有趣；

/**
 * 并發(fā)接口，表示太空船可以在2維的空間中移動(dòng)位置;并且同時(shí)更新讀取位置
 */
 public interface Spaceship
 {
 /**
 * 讀取太空船的位置到參數(shù)數(shù)組 coordinates 中
 *
 * @param coordinates 保存讀取到的XY坐標(biāo).
 * @return 當(dāng)前的狀態(tài)
 */
 int readPosition(final int[] coordinates);

/**
 * 通過增加XY的值表示移動(dòng)太空船的位置。
 *
 * @param xDelta x坐標(biāo)軸上移動(dòng)的增量.
 * @param yDelta y坐標(biāo)軸上移動(dòng)的增量.
 * @return the number of attempts made to write the new coordinates.
 */
 int move(final int xDelta, final int yDelta);
 }

上面的API通過分解一個(gè)不變的位置對(duì)象，本身是干凈的。但是我想保證它不產(chǎn)生垃圾，并且需要能最直接的更新多個(gè)內(nèi)容域。這個(gè)API可以很容易地?cái)U(kuò)展到三維空間，并實(shí)現(xiàn)原子性要求。

為每一個(gè)飛船都設(shè)置多個(gè)實(shí)現(xiàn)，并且作為一個(gè)測(cè)試套件。本文中所有的代碼和結(jié)果都可以在這里找到。

該測(cè)試套件會(huì)依次運(yùn)行每一種實(shí)現(xiàn).并且使用?megamorphic dispatch模式，防止并發(fā)訪問中的方法內(nèi)聯(lián)(inlining)，鎖粗化(lock-coarsening)，循環(huán)展開(loop unrolling)的問題;

每種實(shí)現(xiàn)都執(zhí)行下面4個(gè)不同的線程的情況，結(jié)果也是不同的;

1 reader – 1 writer

2 readers – 1 writer

3 readers – 1 writer

2 readers – 2 writers

所有的測(cè)試運(yùn)行在64位機(jī)器、Java版本：1.7.0_25、 Linux版本：3.6.30、4核 2.2GHz Ivy Bridge （第三代Core i系列處理器）i7-3632QM的環(huán)境上。

測(cè)試吞吐量的時(shí)候，是通過每一種實(shí)現(xiàn)都重復(fù)測(cè)試超過5次，每一次都運(yùn)行5秒以上，以保證系統(tǒng)足夠預(yù)熱，下面的結(jié)果都是第5次之后平均每秒吞吐量。為了更像一個(gè)典型的java應(yīng)用;沒有采用會(huì)導(dǎo)致明顯減少差異的線程依附性（thread affinity）和多核隔離（core isolation?）技術(shù);

結(jié)果

上述圖表的原始數(shù)據(jù)可以在這里找到

分析

結(jié)果里面真正令我吃驚的是ReentrantReadWriteLock的性能，我沒有想到的是，在這樣的場(chǎng)景下它在讀和少量寫之間取得的巨大的平衡性，

我主要的收獲：

StampedLock 對(duì)現(xiàn)存的鎖實(shí)現(xiàn)有巨大的改進(jìn)，特別是在讀線程越來越多的場(chǎng)景下：

StampedLock有一個(gè)復(fù)雜的API，對(duì)于加鎖操作，很容易誤用其他方法;

當(dāng)只有2個(gè)競(jìng)爭(zhēng)者的時(shí)候，Synchronised是一個(gè)很好的通用的鎖實(shí)現(xiàn);

當(dāng)線程增長(zhǎng)能夠預(yù)估，ReentrantLock是一個(gè)很好的通用的鎖實(shí)現(xiàn);

選擇使用ReentrantReadWriteLock時(shí)，必須經(jīng)過小心的適度的測(cè)試;所有重大的決定，必須在基于測(cè)試數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上做決定;

無鎖的實(shí)現(xiàn)比基于鎖的算法有更好短吞吐量;

結(jié)論：

非常開心能看到無鎖技術(shù)對(duì)基于鎖的算法的影響; 樂觀鎖的策略，實(shí)際上就是一個(gè)無鎖算法技術(shù)。

以我的經(jīng)驗(yàn)看，教學(xué)和開發(fā)中的無鎖算法，不僅能顯著改善吞吐量;同時(shí)他們也提供更低的延遲。

原文 Lock based vs lock free concurrent
翻譯 曹姚君?校對(duì) 方騰飛
via ifeve

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