CAS lock-free

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http://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap

In computer science, compare-and-swap (CAS) is an atomic instruction used in multithreading to achieve synchronization. It compares the contents of a memory location to a given value and, only if they are the same, modifies the contents of that memory location to a given new value. This is done as a single atomic operation. The atomicity guarantees that the new value is calculated based on up-to-date information; if the value had been updated by another thread in the meantime, the write would fail. The result of the operation must indicate whether it performed the substitution; this can be done either with a simple Boolean response (this variant is often called compare-and-set), or by returning the value read from the memory location (not the value written to it).

The following C function shows the basic behavior of a compare-and-swap variant that returns the old value of the specified memory location; however, this version does not provide the crucial guarantees of atomicity that a real compare-and-swap operation would:

int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval)
{
  int old_reg_val = *reg;
  if (old_reg_val == oldval)
     *reg = newval;
  return old_reg_val;
}

lock-free  编程实在让人又爱又恨。博主以前曾经写过几篇关于 lock-free 编程的文章。比如关于无锁编程、并发数据结构:迷人的原子。如果想更加深入的了解和实践 lock-free 编程，可以参考CLR 2.0 Memory Model、并发数据结构:Stack。这篇文章并不打算继续阐述如何使用 lock-free 技术，而是谈一下它的负面影响。从而让大家对 lock-free 有个更加全面的认识。

说到 lock-free 编程，现实中经常使用 CAS 原语。CAS 是英文 Compare and Swap 的简写。在 Windows 和 .NET 平台，由于历史原因，它被写做 Interlocked API。原子操作在 x86 架构 CPU 对应的汇编指令有 XCHG、CMPXCHG、INC 等，当然还得加上 LOCK 作为前缀(更多信息请看 并发数据结构:迷人的原子)。

CAS 原语在轻度和中度争用情况下确实可以大幅度提高程序性能。但凡事有利必有弊，CAS 原语极度扼杀了程序的可伸缩性(其他缺点请看关于无锁编程)。各位看官可能觉得这种观点有点偏激，但事实如此。请容博主细细道来：

• CAS 的原子性完全取决于硬件实现。大多数 Intel 和 AMD 的 CPU 采用了一种叫做 MOSEI 缓存一致性协议来管理缓存。这种架构下，处理器缓存内 CAS 操作相对成本低廉。但一旦资源争用，就会引起缓存失效和总线占用。缓存越失效，总线越被占用，完成 CAS 操作也越被延迟。缓存争用是程序可伸缩性杀手。当然对于非 CAS 内存操作来说也是如此，但 CAS 情况更加槽糕。
• CAS 操作要比普通内存操作花费更多 CPU 周期。这归功于缓存分级的额外负担、刷新写缓冲区与穿越内存栅栏限制和需求以及编译器对 CAS 操作优化的能力。
• CAS 经常被用在优化并行操作上。这意味着 CAS 操作失败将导致重新尝试某些指令(典型的回滚操作)。即便没有任何争用，它也会做一些无用功。不论成功或失败都会增加争用的风险。

大多数 CAS 操作发生在锁进入和退出时。尽管锁可由单一 CAS 操作构建，但 .NET CLR Monitor 类却使用了两个(一个在 Enter 方法，另一个在 Exit 方法)。lock-free 算法也经常使用 CAS 原语来代替使用锁机制。但是由于内存重组，这样的算法也常常需要显式的栅栏，即便使用了 CAS 指令。锁机制非常邪恶，但大多数合格的开发人员都知道让锁持有尽量少的时间。因此，虽然锁机制让人非常讨厌，且影响性能。但相对于大量，频繁的 CAS 操作而言，它却并不影响程序的可伸缩性。

举个很简单的例子，增加计数 100,000,000 次。要做到这样，有几种方式。如果仅运行在单核单处理器上，我们可以使用普通的内存操作：

static volatile int counter = 0;
static void BaselineCounter()
{
    for (int i = 0; i < Count; i++)
    {
        counter++;
    }
}

很明显，上述代码示例不是线程安全的，但给计数器提供了一个很好的时间基准。下面我们使用 LOCK INC 来作为线程安全的第一种方式：

static volatile int counter = 0;
static void LockIncCounter()
{
    for (int i = 0; i < Count; i++)
    {
        Interlocked.Increment(ref counter);
    }
}

现在代码示例线程安全了。我们还可以采取另外一种方式来保证线程安全。如果需要执行一些验证(比如内存溢出保护)，我们通常会使用这种方式。就是使用 CMPXCHG(即 CAS)：

static volatile int counter = 0;
static void CASCounter()
{
    for (int i = 0; i < Count; i++)
    {
        int oldValue;
        do
        {
            oldValue = counter;
        }
        while (Interlocked.CompareExchange(ref counter, oldValue + 1, oldValue) != oldValue);
    }
}

现在问一个有意思的问题：当缓存争用时，哪一个方法更慢？结果可能会让你大吃一惊哦。

在 Intel 4 核处理器下测试结果如下：

图中，当 CPU 使用 2 个核时，BaselineCounter 方法是单核单路情况的 2.11 倍。其他情况类似。通过结果比对，我们可以得知：更多的并发性导致结果更加槽糕。这很大部分原因由内存争用所致。

当 CAS 操作失败，通过旋转等待可以改善 CASCounter 方法的在多核处理器上的性能(具体技巧可以参考夏天是个好季节兄的自己动手实现一个轻量级的信号量（一）、（二）)。这可以大大减少活锁和关联内联阻碍锁耗费的时间。

当然，这个示例非常极端。它频繁反复修改同一个内存地址。通过期间插入特定的函数调用，延迟访问共享内存可以极大缓解压力。

比如插入 2 个函数调用，我们得到了如下数据：

插入 64 个函数调用之后，数据又变成了如下所示：

这个时候，我们看到多核所花费的时间少于单核了。这就是我们使用并行所带来的加速。看到这里，我们可能会想，既然从 2 到 64 个函数调用使得结果越来越好，那么超过 64 个函数调用岂不是会变得更好？实际上，在插入 128 个函数调用之后，加速已经达到极限。结果如下所示：

如何计算加速比，请参考并行思维 [II]。

天下没有免费的午餐，CAS 也不例外。我们应当慎之又慎的将 lock-free CAS 代码放到我们的代码中，且必须清楚的知道线程执行它们的频繁程度。我们可以用下面这句话来作为总结：共享是魔鬼。它从根本上限制应用程序可伸缩性，最好尽量避免。共享内存需要并发控制，而并发控制需要 CAS。CAS 又非常昂贵，因此共享内存也非常昂贵。有很多人提出 lock-free 技术，事务内存，读写锁等可以改善程序可伸缩性。但很遗憾，这种情况很少出现。CAS 往往比正确实现锁机制的解决方案更加糟糕。很大原因要归结于共享内存、乐观失败尝试、缓存失效等。

Update 于 2009 年 4 月 8 日 21 : 10

overred 兄在 review 这篇文章的时候，提了一个很好的问题：在使用 Interlocked API 的时候，共享变量不用 volatile 修饰。

为了更方便说明这个问题，俺写个简单点的代码示例，如下所示：

using System;

namespace Lucifer.CSharp.Sample
{
    class Program
    {
        static volatile int x;

        static void Main(string[] args)
        {
            Foo(ref x);
        }

        static void Foo(ref int y)
        {
            while (y == 0) ;
        }
    }
}

当我们在 Visual Studio 中编译这段代码时，IDE 会给出编译警告，如下所示：

通常来说，我们对于这样的编译警告应该给予足够重视。比如在上面的例子中，JIT 编译器会认为 y 一直未变，从而引起死循环。在 IA64 平台上，这会被认为普通内存访问代替了特殊的 load-acquire 访问，这就可能导致 CPU 指令重组方面的一些 Bug。但是有一种情况例外，就是使用 Interlocked API 和 Thread.VolatileXXX 方法以及锁。因为这些 API 内部都会显式要求内存栅栏和硬件原子指令，而不管外部共享变量是否采用 volatile 修饰。因此，文中采用的测试方法还是很安全嘀。

如果你觉得这个编译警告很烦人，可以使用 #pragma 指令禁掉这种警告，如下所示：

static volatile int x;

static void Foo()
{
#pragma warning disable 0420
    Interlocked.Exchange(ref x, 1);
#pragma warning restore 0420
}

当然，也可以完全不用 volatile 修饰符。CLR 内存模型保证了这一点。

如何正确使用 volatile ，请参考并发数据结构:谈谈volatile变量。