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在多線程編程中，當(dāng)對(duì)共享資源進(jìn)行操作時(shí)，需要使用同步（通常是鎖或原子操作）來進(jìn)行保護(hù)，以避免數(shù)據(jù)競爭問題。不幸的是，同步操作的開銷非常大，比如對(duì)一個(gè)整數(shù)變量進(jìn)行加法操作，那么同步操作的開銷是加法操作的上百倍以上。
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有沒有辦法可以減少這種同步操作的開銷呢？如果能設(shè)計(jì)出更快的鎖或更快的原子操作來，那么這種開銷自然就減少了。以目前的技術(shù)來看，最快速的原子操作耗時(shí)也是普通加法操作的上百倍，所以從這方面著手是非常困難的。
那么能不能從軟件算法的角度來減少同步操作的開銷呢？答案是當(dāng)然可以，基本思想是減少使用同步的次數(shù)，比如原來要使用同步1000次，現(xiàn)在改為在滿足一定條件下才使用同步，只需要10次，那么同步的開銷平攤下來就被減少了100倍，效率大大提高了。下面先來看一個(gè)共享隊(duì)列例子。
一個(gè)普通的共享隊(duì)列通常都是使用鎖來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然也有用CAS原子操作來實(shí)現(xiàn)的，這里只討論用鎖來實(shí)現(xiàn)的共享隊(duì)列。
在有鎖保護(hù)的共享隊(duì)列中，在隊(duì)列的進(jìn)隊(duì)和出隊(duì)操作時(shí)，通常都是使用鎖來進(jìn)行保護(hù)的，一個(gè)典型的使用鎖保護(hù)的出隊(duì)操作偽代碼如下：
- template class
- Locked_DeQueue(T &data)
- {
- Lock();
- DeQueue(data); //調(diào)用串行的出隊(duì)操作
- Unlock();
- }
在使用上面的Locked_DeQueue()函數(shù)時(shí)，每調(diào)用一次，就會(huì)發(fā)生一次鎖操作。事實(shí)上，并不是每次都需要加鎖操作的，比如隊(duì)列為空時(shí)，這時(shí)實(shí)際上是不需要進(jìn)行出隊(duì)操作的，完全可以采取的一定的方法避免鎖操作，但是采用上面的Locked_DeQueue()函數(shù)無法避免鎖操作，這就需要對(duì)上面的函數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。
一種最容易想到的方面就是先判斷隊(duì)列是否為空，如果不為空才使用鎖保護(hù)進(jìn)行出隊(duì)操作。代碼如下：
- template class
- Locked_DeQueue_a(T &data)
- {
- If ( !IsEmpty() )
- {
- Lock();
- DeQueue(data); //調(diào)用串行的出隊(duì)操作
- Unlock();
- }
- }
上面的Locked_DeQueue_a()函數(shù)的一個(gè)關(guān)鍵之處是IsEmpty()函數(shù)必須不能使用鎖操作，否則不僅沒有減少同步開銷，反而將同步開銷增大了近一倍。
如何來使得IsEmtpy()函數(shù)不用鎖操作呢，以數(shù)組實(shí)現(xiàn)的環(huán)行隊(duì)列為例，在判斷隊(duì)列是否為空時(shí)，其基本方法是判斷隊(duì)首指針是否等于隊(duì)尾指針。偽代碼如下：
- INT IsEmpty()
- {
- Lock()
- if ( 隊(duì)首指針 == 隊(duì)尾指針 )
- {
- Unlock();
- return 1; //為空
- }
- else
- {
- Unlock();
- return 0; //非空
- }
- }
由于隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針在進(jìn)隊(duì)或出隊(duì)操作時(shí)會(huì)發(fā)生改變，因此在上面的IsEmpty()函數(shù)中，需要使用鎖保護(hù)，那么如何去掉這層鎖保護(hù)呢？
基本的方法是設(shè)一個(gè)標(biāo)志變量EmptyFlag，在進(jìn)隊(duì)和出隊(duì)操作中，當(dāng)隊(duì)列為空時(shí)，標(biāo)志變量的值置為1，隊(duì)列非空時(shí)，標(biāo)志變量的值置為0。這樣判斷隊(duì)列是否為空就可以通過EmptyFlag單個(gè)變量來進(jìn)行，而單個(gè)變量的讀寫可以使用原子操作來實(shí)現(xiàn)，使得讀操作和普通操作一樣不存在同步操作。
下面是使用EmptyFlag變量實(shí)現(xiàn)的出隊(duì)操作。
- template class
- Locked_DeQueue_b(T &data)
- {
- if ( EmptyFlag )
- {
- return;
- }
- Lock();
- if ( !EmptyFlag ) //Lock()前, 其他線程可能修改了標(biāo)志
- {
- DeQueue(data); //調(diào)用串行的出隊(duì)操作
- if ( 隊(duì)首指針 == 隊(duì)尾指針 )
- {
- //出隊(duì)后，隊(duì)列變空，使用原子操作將EmptyFlag置為1
- AtomicIncrement(&EmptyFlag);
- }
- }
- Unlock();
- }
隊(duì)列的是否為空函數(shù)可以使用下面的完全不需要同步的實(shí)現(xiàn)。
- INT IsEmpty()
- {
- return EmptyFlag;
- }
從Locked_DeQueue_b()函數(shù)的實(shí)現(xiàn)可以看出，如果隊(duì)列本來為空的情況下，它只判斷一個(gè)EmptyFlag就返回了，不會(huì)調(diào)用鎖操作，減少了同步使用的次數(shù)，并且在IsEmpty()函數(shù)中，根本不需要使用同步，這對(duì)于那些需要頻繁判斷隊(duì)列是否為空的使用場景，有很好的效果。
比 如對(duì)于動(dòng)態(tài)任務(wù)調(diào)度，假設(shè)使用普通的有鎖的共享隊(duì)列。當(dāng)一個(gè)線程私有隊(duì)列為空時(shí)，需要去偷取其他線程的共享隊(duì)列中的任務(wù)，如果偷取的隊(duì)列為空則發(fā)生了一次 鎖操作，此時(shí)需要再偷另外一個(gè)隊(duì)列的任務(wù)，如果這個(gè)隊(duì)列仍然為空則又要一次鎖操作，一次獲取任務(wù)的操作中將可能出現(xiàn)多次加鎖解鎖的情況。通過上面講的條件 同步方法就可以在偷取取一個(gè)任務(wù)時(shí)，只要一次鎖操作就可以實(shí)現(xiàn)。
上面講的條件同步模式非常適應(yīng)于具有狀態(tài)機(jī)性質(zhì)的場合，只有在發(fā)生狀態(tài)切換（例如隊(duì)列中空或非空的狀態(tài)的切換）時(shí)才使用同步，通過對(duì)狀態(tài)變量（例如EmptyFlag）的操作來替代其他非狀態(tài)變量(例如隊(duì)首指針和隊(duì)尾指針)的操作，減少同步的使用。
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