深入浅出计算机组成原理学习笔记：第五十五讲

一、引子

上一讲，我们学习了一个精妙的想法，Disruptor通过缓存行填充，来利用好CPU的高速缓存。不知道你做完课后思考题之后，有没有体会到高速缓存在实践中带来的速度提升呢？

不过，利用CPU高速缓存，只是Disruptor“快”的一个因素，那今天我们就来看一看Disruptor快的另一个因素，也就是“无锁”，而尽可能发挥CPU本身的高速处理性能。

二、缓慢的锁

Disruptor作为一个高性能的生产者-消费者队列系统，一个核心的设计就是通过RingBuffer实现一个无锁队列。

上一讲里我们讲过，Java里面的基础库里，就有像LinkedBlockingQueue这样的队列库。但是，这个队列库比起Disruptor利用的RingBuffer要慢上很多。慢的第益个原因我们说过，
因为链表的数据在内存里面的布局对于高速缓存并不友好，而RingBuffer所使用的数组则不然。

LinkedBlockingQueue慢，有另外一个重要的因素，那就是它对于锁的依赖。在生产者-消费者模式里，我们可能有多个消费者，同样也可能有多个生产者。多个生产者都要往队列的尾指针里面添加新的任务，
就会产生多个线程的竞争。于是，在做这个事情的时候，生产者就需要拿到对于队列尾部的锁。同样地，在多个消费者去消费队列头的时候，也就产生竞争。同样消费者也要拿到锁。

那只有意个生产者，或者一个消费者，我们是不是就没有这个锁竞争的问题了呢？很遗憾，答案还是否定的。一般来说，在生产者-消费者模式下，消费者要比生产者快。不然的话，
队列会产生积压，队列里面的任务会越堆越多。

一方面，你会发现越来越多的任务没有能够及时完成；另一方面，我们的内存也会放不下。虽然生产者-消费者模型下，我们都有一个队列来作为缓冲区，但是一部分情况下，这个缓冲区里面是空的。
也就是说，即使只有一个生产者和一个消费者者，这个生产者指向的队列尾和消费者指向的队列头是同意个节点。于是，这两个生产者和消费者之间意样会产生锁竞争。

在LinkedBlockingQueue上，这个锁机制是通过synchronized这个Java关键字来实现的。⼀般情况下，这个锁最终会对应到操作系统层面的加锁机制（OS-based Lock），这个锁机制需要由操作系统的内核来进行
裁决。这个裁决，也需要通过一次上下文切换（Context Switch），把没有拿到锁的线程挂起等待。

不知道你还记不记得，我们在第28讲讲过的异常和中断，这里的上下文切换要做的和异常和中断里的是一样的。上下文切换的过程，需要把当前执行线程的寄存器等等的信息，保存到线程栈里面。
而这个过程也必然意味着，已经加载到高速缓存里面的指令或者数据，又回到了主内存里面，会进一步拖慢我们的性能。

我们可以按照Disruptor介绍资料里提到的Benchmark，写一段代码来看看，是不是真是这样的。这里我放了一段Java代码，代码的逻辑很简单，就是把一个long类型的counter，从0自增到5亿。
一种方式是没有任何锁，另外一个方式是每次自增的时候都要去取一个锁。

你可以在自己的电脑上试试跑一下这个程序。在我这里，两个方式执行所需要的时间分别是207毫秒和9603毫秒，性能差出了将近50倍。

package com.xuwenhao.perf.jmm;


import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;


public class LockBenchmark{


    public static void runIncrement()
    {
        long counter = 0;
        long max = 500000000L;
        long start = System.currentTimeMillis();
        while (counter < max) {
            counter++;
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Time spent is " + (end-start) + "ms without lock");
    }


    public static void runIncrementWithLock()
    {
        Lock lock = new ReentrantLock();
        long counter = 0;
        long max = 500000000L;
        long start = System.currentTimeMillis();
        while (counter < max) {
            if (lock.tryLock()){
                counter++;
                lock.unlock();
            }
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Time spent is " + (end-start) + "ms with lock");
    }


    public static void main(String[] args) {
        runIncrement();
        runIncrementWithLock();

加锁和不加锁自增 counter

Time spent is 207ms without lock
Time spent is 9603ms with lock

三、无锁的 RingBuffer

加锁很慢，所以Disruptor的解决⽅案就是“⽆锁”。这个“⽆锁”指的是没有操作系统层面的锁。实际上，Disruptor还是利用了一个CPU硬件支持的指令，称之为CAS（Compare And Swap，比较和交换）。
在Intel CPU里面，这个对应的指令就是cmpxchg。那么下来，我们就一起从Disruptor的源码，到具体的硬件指令来看看这是怎么一回事儿。

Disruptor的RingBuffer是这么设计的，它和直接在链表的头和尾加锁不同。Disruptor的RingBuffer创建了一个Sequence对象，用来指向当前的RingBuffer的头和尾。这个头和尾的标识呢，
不是通过一个指针来实现的，而是通过一个 序号。这也是为什么对应源码里面的类名叫Sequence。

在这个RingBuffer当中，进行生产者和消费者之间的资源协调，采用的是对比序号的方式。当生产者想要往队列里加入新数据的时候，它会把当前的生产者的Sequence的序号，加上需要加上的新数据的数量，
然后和实际的消费者所在的位置进行对比，看看队列里是不是有足够的空间加入这些数据，而不会覆盖掉消费者还没有处理完的数据。

在Sequence的代码里面，就是通过compareAndSet这个方法，并且最终调用到了UNSAFE.compareAndSwapLong，也就是直接使用了CAS指令。

 public boolean compareAndSet(final long expectedValue, final long newValue)
	    {
	        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, VALUE_OFFSET, expectedValue, newValue);
	    }


public long addAndGet(final long increment)
    {
        long currentValue;
        long newValue;


        do
        {
            currentValue = get();
            newValue = currentValue + increment;
        }
        while (!compareAndSet(currentValue, newValue));


        return newValue;

这个CAS指令，也就是比较和交换的操作，并不是基础库里的一个函数。它也不是操作系统里面实现的一个系统调用，而是 一个CPU硬件支持的机器指令。在我们服务器所使用的Intel CPU上，
就是cmpxchg这个指令。

compxchg [ax] (隐式参数，EAX 累加器), [bx] (源操作数地址), [cx] (目标操作数地址)

cmpxchg指令，一共有三个操作数，第一个操作数不在指令里面出现，是一个隐式的操作数，也就是EAX累加寄存器里面的值。第二个操作数就是源操作数，并且指令会对比这个操作数和上面的
累加寄存器里面的值。

如果值是相同的，那一方面，CPU会把ZF（也就是条件码寄存器里面零标志位的值）设置为1，然后再把第三个操作数（也就是是标操作数），设置到源操作数的地址上。如果不相等的话，就会把源操作数里面的
值，设置到累加器寄存器里面。

我在这里放了这个逻辑对应的伪代码，你可以看一下。如果你对汇编指令、条件码寄存器这些知识点有点儿模糊了，可以回头去看看第5讲、第6讲关于汇编指令的部分。

IF [ax]< == [bx] THEN [ZF] = 1, [bx] = [cx]
                 ELSE [ZF] = 0, [ax] = [bx] 

单个指令是原子的，这也就意味着在使用CAS操作的时候，我们不再需要单独进行加锁，直接调用就可以了。

没有了锁，CPU这部高速跑车就像在赛道上行驶，不会遇到需要上下文切换这样的红灯而停下来。虽然会遇到像CAS这样复杂的机器指令，就好像赛道上会有U型弯已样，不过不用完全停下来等待，
我们CPU运行起来仍然会快很多。

那么，CAS操作到底会有多快呢？我们还是一段段Java代码来看一下。

package com.xuwenhao.perf.jmm;


import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;


public class LockBenchmark {


    public static void runIncrementAtomic()
    {
        AtomicLong counter = new AtomicLong(0);
        long max = 500000000L;
        long start = System.currentTimeMillis();
        while (counter.incrementAndGet() < max) {
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("Time spent is " + (end-start) + "ms with cas");
    }


    public static void main(String[] args) {
        runIncrementAtomic();
    }

执行结果：

Time spent is 3867ms with cas

和上面的counter自增一样，只不过这一次，自增我们采用了AtomicLong这个Java类。里面的incrementAndGet最终到了CPU指令层面，在实现的时候用的就是CAS操作。可以看到，
它所花费的时间，虽然要比没有任何锁的操作慢上一个数量级，但是比起使用ReentrantLock这样的操作系统锁的机制，还是减少了一半以上的时间。

四、总结延伸

好了，咱们专栏的正文内容到今天就要结束了。今天最后一讲，我带着你一起看了Disruptor代码的一个核心设计，也就是它的RingBuffer是怎么做到无锁的。

Java基础库里面的BlockingQueue，都需要通过显式地加锁来保障生产者之间、消费者之间，乃至生产者和消费者之间，不会发生锁冲突的问题。

但是，加锁会大大拖慢我们的性能。在获取锁过程中，CPU没有去执行计算的相关指令，而要等待操作系统进行锁竞争的裁决。而那些没有拿到锁而被挂起等待的线程，则需要进行上下文切换。这个上下文切换，会把挂起线程的寄存器里的数据放到线程的程序栈里面去。这也意味着，加载到高速缓存里面的数据也失效了，程序就变得更慢了。

Disruptor里的RingBuffer采用了一个无锁的解决方案，通过CAS这样的操作，去进行序号的自增和对比，使得CPU不需要获取操作系统的锁。而是能够继续顺序地执行CPU指令。没有上下文切换、
没有操作系统锁，自然程序就跑得快了。不过因为采用了CAS这样的忙等待（Busy-Wait）的方式，会使得我们的CPU始终满负荷运转，消耗更多的电，算是一个小小的缺点。

程序里面的CAS调用，映射到我们的CPU硬件层面，就是一个机器指令，这个指令就是cmpxchg。可以看到，当想要追求最极致的性能的时候，我们会从应用层、贯穿到操作系统，乃至最后的CPU硬件，
搞清楚从高级语言到系统调用，乃至最后的汇编指令，这整个过程是怎么执行代码的。而这个，也是学习组成原理这门专栏的意义所在。