李乐
问题引入
多线程或者多进程程序访问同一个变量时,需要加锁才能实现变量的互斥访问,否则结果可能是无法预期的,即存在并发问题。解决并发问题通常有两种方案:
1)加锁:访问变量之前加锁,只有加锁成功才能访问变量,访问变量之后需要释放锁;这种通常称为悲观锁,即认为每次变量访问都会导致并发问题,因此每次访问变量之前都加锁。2)原子操作:只要访问变量的操作是原子的,就不会导致并发问题。那表达式么i++是不是原子操作呢?nginx通常会有多个worker处理请求,多个worker之间需要通过抢锁的方式来实现监听事件的互斥处理,由函数ngx_shmtx_trylock实现抢锁逻辑,代码如下:ngx_uint_t ngx_shmtx_trylock(ngx_shmtx_t *mtx){ return (*mtx->lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(mtx->lock, 0, ngx_pid));}
变量mtx->lock指向的是一块共享内存地址(所有worker都可以访问);worker进程会尝试设置变量mtx->lock的值为当前进程号,如果设置成功,则说明抢锁成功,否则认为抢锁失败。
注意ngx_atomic_cmp_set设置变量mtx->lock的值为当前进程号并不是无任何条件的,而是只有当变量mtx->lock值为0时才设置,否则不予设置。ngx_atomic_cmp_set是典型的比较-交换操作,且必须加锁或者是原子操作才行,函数实现方式下节分析。nginx有一些全局统计变量,比如说变量ngx_connection_counter,此类变量由所有worker进程共享,并发执行累加操作,由函数ngx_atomic_fetch_add实现;而该累加操作需要加锁或者时原子操作才行,函数实现方式下节分析。上面说的mtx->lock和ngx_connection_counter都是共享变量,所有worker进程都可以访问,这些变量在ngx_event_core_module模块的ngx_event_module_init函数创建,且该函数在fork worker进程之前执行。/* cl should be equal to or greater than cache line size */cl = 128;size = cl /* ngx_accept_mutex */ + cl /*ngx_connection_counter */ + cl; /* ngx_temp_number */ if (ngx_shm_alloc(&shm) != NGX_OK) { return NGX_ERROR;}shared = shm.addr;if (ngx_shmtx_create(&ngx_accept_mutex, (ngx_shmtx_sh_t *) shared,cycle->lock_file.data)!= NGX_OK) { return NGX_ERROR; } ngx_connection_counter = (ngx_atomic_t *) (shared + 1 * cl);
这里需要重点思考这么几个问题:
1)cache_line_size是什么?我们都知道CPU与主存之间还存在着高速缓存,高速缓存的访问速率高于主存访问速率,因此主存中部分数据会被缓存在高速缓存中,CPU访问数据时会先从高速缓存中查找,如果没有命中才会访问主从。需要注意的是,主存中的数据并不是一字节一字节加载到高速缓存中的,而是每次加载一个数据块,该数据块的大小就称为cache_line_size,高速缓存中的这块存储空间称为一个缓存行。cache_line_size32字节,64字节不等,通常为64字节。2)此处cl取值128字节,可是cl为什么一定要大于等于cache_line_size?待下一节分析了原子操作函数实现方式后自然会明白的。3)函数ngx_shm_alloc是通过系统调用mmap分配的内存空间,首地址为shared;4)这里创建了三个共享变量ngx_accept_mutex、ngx_connection_counter和ngx_temp_number;函数ngx_shmtx_create使得ngx_accept_mutex->lock变量指向shared;ngx_connection_counter指向shared+128字节位置处,ngx_temp_number指向shared+256字节位置处。原子操作函数实现方式
据说gcc某版本以后内置了一些原子性操作函数(没有验证),如:
//原子加type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value);//原子减type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value);//原子比较-交换,返回truebool __sync_bool_compare_and_swap(type* ptr, type oldValue, type newValue, ....);//原子比较交换,返回之前的值type __sync_val_compare_and_swap(type* ptr, type oldValue, type newValue, ....);
通过这些函数很容易解决上面说的多个worker抢锁,统计变量并发累计问题。nginx会检测系统是否支持上述方法,如果不支持会自己实现类似的原子性操作函数。
源码目录下src/os/unix/ngx_gcc_atomic_amd64.h、src/os/unix/ngx_gcc_atomic_x86.h等文件针对不同操作系统实现了若干原子性操作函数。内联汇编
可通过内联汇编向C代码中嵌入汇编语言。原子操作函数内部都使用到了内联汇编,因此这里需要做简要介绍;
内联汇编格式如下,需要了解以下6个概念:asm ( 汇编指令: 输出操作数(可选): 输入操作数(可选): 寄存器列表(表明哪些寄存器被修改,可选));
1)寄存器通常有一些简称;
- r:表示使用一个通用寄存器,由GCC在%eax/%ax/%al, %ebx/%bx/%bl, %ecx/%cx/%cl, %edx/%dx/%dl中选取一个GCC认为合适的。
- a:表示使用%eax / %ax / %al
- b:表示使用%ebx / %bx / %bl
- c:表示使用%ecx / %cx / %cl
- d:表示使用%edx / %dx / %dl
- m: 表示内存地址
- 等
2)汇编指令;
" popl %0 "" movl %1, %%esi "" movl %2, %%edi "
3)输入操作数,通常格式为——"寄存器简称/内存简称"(值);这种称为寄存器约束或者内存约束,表明输入或者输出需要借助寄存器或者内存实现。
: "m" (*lock), "a" (old), "r" (set)
4)输出操作数;
//+号表示既是输入参数又是输出参数:"+r" (add)//将寄存器%eax / %ax / %al存储到变量res中:"=a" (res)
5)寄存器列表,如
: "cc", "memory"
cc表示会修改标志寄存器中的条件标志,memory表示会修改内存。
6)占位符与volatile关键字__asm__ volatile ( " xaddl %0, %1; " : "+r" (add) : "m" (*value) : "cc", "memory");
volatile表明禁止编译器优化;%0和%1顺序对应后面的输出或输入操作数,如%0对应"+r" (add),%1对应"m" (*value)。
比较-交换原子实现
现代处理器都提供了比较-交换汇编指令cmpxchgl r, [m],且是原子操作。其含义如下为,如果eax寄存器的内容与[m]内存地址内容相等,则设置[m]内存地址内容为r寄存器的值。伪代码如下(标志寄存器zf位):
if (eax == [m]) { zf = 1; [m] = r;} else { zf = 0; eax = [m];}
因此利用指令cmpxchgl可以很容易实现原子性的比较-交换功能。
但是想想这样有什么问题呢?对于单核CPU来说没任何问题,多核CPU则无法保证。(参考深入理解计算机系统第六章)以Intel Core i7处理器为例,其有四个核,且每个核都有自己的L1和L2高速缓存。前面提到,主存中部分数据会被缓存在高速缓存中,CPU访问数据时会先从高速缓存中查找;那假如同一块内存地址同时被缓存在核0与核1的L2级高速缓存呢?此时如果核0与核1同时修改该地址内容,则会造成冲突。目前处理器都提供有lock指令;其可以锁住总线,其他CPU对内存的读写请求都会被阻塞,直到锁释放;不过目前处理器都采用锁缓存替代锁总线(锁总线的开销比较大),即lock指令会锁定一个缓存行。当某个CPU发出lock信号锁定某个缓存行时,其他CPU会使它们的高速缓存该缓存行失效,同时检测是对该缓存行中数据进行了修改,如果是则会写所有已修改的数据;当某个高速缓存行被锁定时,其他CPU都无法读写该缓存行;lock后的写操作会及时会写到内存中。以文件src/os/unix/ngx_gcc_atomic_x86.h为例。查看ngx_atomic_cmp_set函数实现如下:#define NGX_SMP_LOCK "lock;"static ngx_inline ngx_atomic_uint_tngx_atomic_cmp_set(ngx_atomic_t *lock, ngx_atomic_uint_t old, ngx_atomic_uint_t set){ u_char res; __asm__ volatile ( NGX_SMP_LOCK " cmpxchgl %3, %1; " " sete %0; " : "=a" (res) : "m" (*lock), "a" (old), "r" (set) : "cc", "memory"); return res;}
cmpxchgl即为上面说的原子比较-交换指令;sete取标志寄存器中ZF位的值,并存储在%0对应的操作数。函数最后返回标志寄存器zf位。
累加指令格式为xaddl r [m],含义如下:temp = [m];[m] += r;r = temp;
查看ngx_atomic_fetch_add函数实现:
static ngx_inline ngx_atomic_int_tngx_atomic_fetch_add(ngx_atomic_t *value, ngx_atomic_int_t add){ __asm__ volatile ( NGX_SMP_LOCK " xaddl %0, %1; " : "+r" (add) : "m" (*value) : "cc", "memory"); return add;}
指令xaddl实现了加法功能,其将%0对应操作数加到%1对应操作数,函数最后返回累加之前的旧值。
这里再回到第一小节,cl取值128字节,且注释表明cl一定要大于等于cache_line_size。cl是什么?三个共享变量之间的偏移量。那假如去掉这个限制,由于每个变量只占8字节,所以三个变量总共占24字节,假设cache_line_size即缓存行大小为64字节,即这三个共享变量可能属于同一个缓存行。那么当使用lock指令锁定ngx_accept_mutex->lock变量时,会锁定该变量所在的缓存行,从而导致对共享变量ngx_connection_counter和ngx_temp_number同样执行了锁定,此时其他CPU是无法访问这两个共享变量的。因此这里会限制cl大于等于缓存行大小。总结
本文简要介绍了nginx中锁的实现原理,多核高速缓存冲突问题,内联汇编简单语法,以及原子比较-交换操作和原子累加操作的实现。
才疏学浅,如有错误或者不足,请指出。