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一個測試記錄：利用【分段鎖】來處理并發(fā)情況下的資源競爭問題

問題描述

周末和朋友聊天說到最近的工作，他們有個項目，需要把之前的一個單片機程序，移植到x86平臺。

由于歷史的原因，代碼中到處都充斥著全局變量，你懂得：在以前的單片機中充斥著大量的全局變量，方便、好用啊!

在代碼中，盡量避免使用全局變量。壞處有：不方便模塊化，函數(shù)不可重入，耦合性大。。。

由于大部分的單片機都只有一個CPU，是真正的串行操作。

也許你會說：會發(fā)生中斷啊，這也是一種異步操作。

沒錯，但是可以在訪問全局變量的地方把中斷關掉，這樣就不會避免了資源競爭的情況了。

但是，移植到x86平臺之后，在多核的情況下，多個線程(任務)是真正的并發(fā)執(zhí)行序列。

如果多個線程同時操作某一個全局變量，就一定存在競爭的情況。

針對這個問題，首先想到的方案就是：分配一般互斥鎖，無論哪個線程想訪問全局變量，首先獲取到鎖，然后才能操作全局變量，操作完成之后再釋放鎖。

但是，這個方案有一個很大的問題，就是：當并發(fā)線程很多的情況下，程序的執(zhí)行效率太低。

他們最后的解決方案是分段加鎖，也就是對全局變量按照數(shù)據(jù)索引進行分割，每一段數(shù)據(jù)分配一把鎖。

至于每一段的數(shù)據(jù)長度是多少，這需要根據(jù)實際的業(yè)務場景進行調(diào)整，以達到最優(yōu)的性能。

回來之后，我覺得這個想法非常巧妙。

這個機制看起來很簡單，但是真的能解決大問題。

于是我就寫了一段代碼來測試一下：這種方案對程序的性能有多大的影響。

測試代碼

在測試代碼中，定義了一個全局變量：

volatile int test_data[DATA_TOTAL_NUM];

數(shù)組的長度是10000(宏定義：DATA_TOTAL_NUM)，然后創(chuàng)建100個線程來并發(fā)訪問這個全局變量，每個線程訪問100000次。

然后執(zhí)行3個測試用例：

測試1：不使用鎖

00個線程同時操作全局變量，訪問的數(shù)據(jù)索引隨機產(chǎn)生，最后統(tǒng)計每個線程的平均執(zhí)行時間。

不使用鎖的話，最后的結果(全局變量中的數(shù)據(jù)內(nèi)容)肯定是錯誤的，這里僅僅是為了看一下時間消耗。

測試2：使用一把全局鎖(大鎖)

100個線程使用一把鎖。

每個線程在操作全局變量之前，首先要獲取到這把鎖，然后才能操作全局變量，否則的話只能阻塞著等其它線程釋放鎖。

測試3：使用分段鎖

根據(jù)全局變量的長度，分配多把鎖。

每個線程在訪問的時候，根據(jù)訪問的數(shù)據(jù)索引，獲取不同的鎖，這樣就降低了競爭的幾率。

在這個測試場景中，全局變量test_data的長度是10000，每100個數(shù)據(jù)分配一把鎖，那么一共需要100把鎖。

比如，在某個時刻：

線程1想訪問test_data[110]。
線程2想訪問test_data[120]。
線程3想訪問test_data[9900]。

首先根據(jù)每個線程要訪問的數(shù)據(jù)索引進行計算：這個索引對應的哪一把鎖?

計算方式：訪問索引 % 每把鎖對應的數(shù)據(jù)長度

經(jīng)過計算得知：線程1、線程2就會對第二把鎖進行競爭;

而線程3就可以獨自獲取最后一把鎖，這樣的話線程3就避開了與線程1、線程2的競爭。

測試結果

$ ./a.out 
test1_naked:        average = 2876 ms 
test2_one_big_lock: average = 11233 ms 
test3_segment_lock: average = 3216 ms

從測試結果上看，分段加鎖比使用一把全局鎖，對于程序性能的提高確實很明顯。

當然了，測試結果與不同的系統(tǒng)環(huán)境、業(yè)務場景有關，特別是線程的競爭程度、在臨界區(qū)中的執(zhí)行時間等。

測試代碼簡介

測試代碼沒有考慮跨邊界的情況。

比如：某個線程需要訪問190 ~ 210這些索引上的數(shù)據(jù)，這個區(qū)間正好跨越了200這個分界點。

第0把鎖：0 ~ 99。
第1把鎖：100 ~ 199。
第2把鎖：200 ~ 299。

因此，訪問190 ~ 210就需要同時獲取到第1、2把鎖。

在實際項目中需要考慮到這種跨邊界的情況，通過計算開始和結束索引，把這些鎖都獲取到才可以。

當然了，為了防止發(fā)生死鎖，需要按照順序來獲取。

#define THREAD_NUMBER           100         // 線程個數(shù)
#define LOOP_TIMES_EACH_THREAD  100000      // 每個線程中 for 循環(huán)的執(zhí)行次數(shù)
#define DATA_TOTAL_NUM          10000       // 全局變量的長度
#define SEGMENT_LEN             100         // 多少個數(shù)據(jù)分配一把鎖
volatile int test_data[DATA_TOTAL_NUM];     // 被競爭的全局變量
void main(void)
{
    test1_naked();
    test2_one_big_lock();
    test3_segment_lock();
    while (1)
        sleep(3);  // 主線程保持運行，也可以使用getchar();
}
// 測試1：子線程執(zhí)行的函數(shù)
void *test1_naked_function(void *arg)
{
    struct timeval tm1, tm2;
    gettimeofday(&tm1, NULL);    
    for (unsigned int i = 0; i < LOOP_TIMES_EACH_THREAD; i++)
    {
        do_some_work();             // 模擬業(yè)務操作
        unsigned int pos = rand() % DATA_TOTAL_NUM; 
        test_data[pos] = i * i;     // 隨機訪問全局變量中的某個數(shù)據(jù)
    }
    gettimeofday(&tm2, NULL);   
    return (tm2 - tm1);
}
// 測試2：子線程執(zhí)行的函數(shù)
void *test2_one_big_lock_function(void *arg)
{
    test2_one_big_lock_arg *data = (test2_one_big_lock_arg *)arg;
    struct timeval tm1, tm2;
    gettimeofday(&tm1, NULL);  
    for (unsigned int i = 0; i < LOOP_TIMES_EACH_THREAD; i++)
    {
        pthread_mutex_lock(&data->lock);  // 上鎖
        do_some_work();             // 模擬業(yè)務操作
        unsigned int pos = rand() % DATA_TOTAL_NUM; 
        test_data[pos] = i * i;     // 隨機訪問全局變量中的某個數(shù)據(jù)

        pthread_mutex_unlock(&data->lock); // 解鎖
    }
    gettimeofday(&tm2, NULL);    

    return (tm2 - tm1);
}
// 測試3：子線程執(zhí)行的函數(shù)
void *test3_segment_lock_function(void *arg)
{
    test3_segment_lock_arg *data = (test3_segment_lock_arg *)arg;
    struct timeval tm1, tm2;
    gettimeofday(&tm1, NULL); 
    for (unsigned int i = 0; i < LOOP_TIMES_EACH_THREAD; i++)
    {
        unsigned int pos = rand() % DATA_TOTAL_NUM;      // 產(chǎn)生隨機訪問的索引
        unsigned int lock_index = pos / SEGMENT_LEN;     // 根據(jù)索引計算需要獲取哪一把鎖
        pthread_mutex_lock(data->lock + lock_index);     // 上鎖
        do_some_work();             // 模擬業(yè)務操作
        test_data[pos] = i * i;     // 隨機訪問全局變量中的某個數(shù)據(jù)

        pthread_mutex_unlock(data->lock + lock_index);   // 解鎖
    }
    gettimeofday(&tm2, NULL);     

    return (tm2 - tm1);
}
void test1_naked()
{
    創(chuàng)建 100 個線程，線程執(zhí)行函數(shù)是 test1_naked_function()
    printf("test1_naked:        average = %ld ms \n", ms_total / THREAD_NUMBER);
}
void test2_one_big_lock()
{
    創(chuàng)建 100 個線程，線程執(zhí)行函數(shù)是 test2_one_big_lock_function()，需要把鎖作為參數(shù)傳遞給子線程。
    printf("test2_one_big_lock: average = %ld ms \n", ms_total / THREAD_NUMBER);
}
void test3_segment_lock()
{
    根據(jù)全局變量的長度，初始化很多把鎖。
    創(chuàng)建 100 個線程，線程執(zhí)行函數(shù)是 test2_one_big_lock_function()，需要把鎖作為參數(shù)傳遞給子線程。
    printf("test3_segment_lock: average = %ld ms \n", ms_total / THREAD_NUMBER);
}

在Linux系統(tǒng)中可以直接編譯、執(zhí)行，拿來即用。

祝您好運!

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「IOT物聯(lián)網(wǎng)小鎮(zhèn)」

網(wǎng)站名稱：一個測試記錄：利用【分段鎖】來處理并發(fā)情況下的資源競爭問題
本文網(wǎng)址：http://www.5511xx.com/article/dhcpjjc.html

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