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【Nginx源碼分析】Nginx中的鎖與原子操作

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摘要:源碼目錄下等文件針對不同操作系統實現了若干原子性操作函數。函數最后返回標志寄存器位。總結本文簡要介紹了中鎖的實現原理,多核高速緩存沖突問題,內聯匯編簡單語法,以及原子比較交換操作和原子累加操作的實現。

李樂

問題引入

多線程或者多進程程序訪問同一個變量時,需要加鎖才能實現變量的互斥訪問,否則結果可能是無法預期的,即存在并發問題。解決并發問題通常有兩種方案:
1)加鎖:訪問變量之前加鎖,只有加鎖成功才能訪問變量,訪問變量之后需要釋放鎖;這種通常稱為悲觀鎖,即認為每次變量訪問都會導致并發問題,因此每次訪問變量之前都加鎖。
2)原子操作:只要訪問變量的操作是原子的,就不會導致并發問題。那表達式么i++是不是原子操作呢?
nginx通常會有多個worker處理請求,多個worker之間需要通過搶鎖的方式來實現監聽事件的互斥處理,由函數ngx_shmtx_trylock實現搶鎖邏輯,代碼如下:

ngx_uint_t ngx_shmtx_trylock(ngx_shmtx_t *mtx)
{
    return (*mtx->lock == 0 && ngx_atomic_cmp_set(mtx->lock, 0, ngx_pid));
}

變量mtx->lock指向的是一塊共享內存地址(所有worker都可以訪問);worker進程會嘗試設置變量mtx->lock的值為當前進程號,如果設置成功,則說明搶鎖成功,否則認為搶鎖失敗。
注意ngx_atomic_cmp_set設置變量mtx->lock的值為當前進程號并不是無任何條件的,而是只有當變量mtx->lock值為0時才設置,否則不予設置。ngx_atomic_cmp_set是典型的比較-交換操作,且必須加鎖或者是原子操作才行,函數實現方式下節分析。
nginx有一些全局統計變量,比如說變量ngx_connection_counter,此類變量由所有worker進程共享,并發執行累加操作,由函數ngx_atomic_fetch_add實現;而該累加操作需要加鎖或者時原子操作才行,函數實現方式下節分析。
上面說的mtx->lock和ngx_connection_counter都是共享變量,所有worker進程都可以訪問,這些變量在ngx_event_core_module模塊的ngx_event_module_init函數創建,且該函數在fork worker進程之前執行。

/* 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);

這里需要重點思考這么幾個問題:
1)cache_line_size是什么?我們都知道CPU與主存之間還存在著高速緩存,高速緩存的訪問速率高于主存訪問速率,因此主存中部分數據會被緩存在高速緩存中,CPU訪問數據時會先從高速緩存中查找,如果沒有命中才會訪問主從。需要注意的是,主存中的數據并不是一字節一字節加載到高速緩存中的,而是每次加載一個數據塊,該數據塊的大小就稱為cache_line_size,高速緩存中的這塊存儲空間稱為一個緩存行。cache_line_size32字節,64字節不等,通常為64字節。
2)此處cl取值128字節,可是cl為什么一定要大于等于cache_line_size?待下一節分析了原子操作函數實現方式后自然會明白的。
3)函數ngx_shm_alloc是通過系統調用mmap分配的內存空間,首地址為shared;
4)這里創建了三個共享變量ngx_accept_mutex、ngx_connection_counter和ngx_temp_number;函數ngx_shmtx_create使得ngx_accept_mutex->lock變量指向shared;ngx_connection_counter指向shared+128字節位置處,ngx_temp_number指向shared+256字節位置處。

原子操作函數實現方式

據說gcc某版本以后內置了一些原子性操作函數(沒有驗證),如:

//原子加
type __sync_fetch_and_add (type *ptr, type value);
//原子減
type __sync_fetch_and_sub (type *ptr, type value);
//原子比較-交換,返回true
bool __sync_bool_compare_and_swap(type* ptr, type oldValue, type newValue, ....);
//原子比較交換,返回之前的值
type __sync_val_compare_and_swap(type* ptr, type oldValue, type newValue, ....);

通過這些函數很容易解決上面說的多個worker搶鎖,統計變量并發累計問題。nginx會檢測系統是否支持上述方法,如果不支持會自己實現類似的原子性操作函數。
源碼目錄下src/os/unix/ngx_gcc_atomic_amd64.h、src/os/unix/ngx_gcc_atomic_x86.h等文件針對不同操作系統實現了若干原子性操作函數。

內聯匯編

可通過內聯匯編向C代碼中嵌入匯編語言。原子操作函數內部都使用到了內聯匯編,因此這里需要做簡要介紹;
內聯匯編格式如下,需要了解以下6個概念:

asm ( 
匯編指令
: 輸出操作數(可選)
: 輸入操作數(可選)
: 寄存器列表(表明哪些寄存器被修改,可選)
);

1)寄存器通常有一些簡稱;

r:表示使用一個通用寄存器,由GCC在%eax/%ax/%al, %ebx/%bx/%bl, %ecx/%cx/%cl, %edx/%dx/%dl中選取一個GCC認為合適的。

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: 表示內存地址

2)匯編指令;

" popl %0 "
" movl %1, %%esi "
" movl %2, %%edi "

3)輸入操作數,通常格式為——"寄存器簡稱/內存簡稱"(值);這種稱為寄存器約束或者內存約束,表明輸入或者輸出需要借助寄存器或者內存實現。

: "m" (*lock), "a" (old), "r" (set)

4)輸出操作數;

//+號表示既是輸入參數又是輸出參數
:"+r" (add)
//將寄存器%eax / %ax / %al存儲到變量res中
:"=a" (res)

5)寄存器列表,如

: "cc", "memory"

cc表示會修改標志寄存器中的條件標志,memory表示會修改內存。
6)占位符與volatile關鍵字

__asm__ volatile (
    "    xaddl  %0, %1;   "
    : "+r" (add) : "m" (*value) : "cc", "memory");

volatile表明禁止編譯器優化;%0和%1順序對應后面的輸出或輸入操作數,如%0對應"+r" (add),%1對應"m" (*value)。

比較-交換原子實現

現代處理器都提供了比較-交換匯編指令cmpxchgl r, [m],且是原子操作。其含義如下為,如果eax寄存器的內容與[m]內存地址內容相等,則設置[m]內存地址內容為r寄存器的值。偽代碼如下(標志寄存器zf位):

if (eax == [m]) {
    zf = 1;
    [m] = r;
} else {
    zf = 0;
    eax = [m];
}

因此利用指令cmpxchgl可以很容易實現原子性的比較-交換功能。
但是想想這樣有什么問題呢?對于單核CPU來說沒任何問題,多核CPU則無法保證。(參考深入理解計算機系統第六章)以Intel Core i7處理器為例,其有四個核,且每個核都有自己的L1和L2高速緩存。

前面提到,主存中部分數據會被緩存在高速緩存中,CPU訪問數據時會先從高速緩存中查找;那假如同一塊內存地址同時被緩存在核0與核1的L2級高速緩存呢?此時如果核0與核1同時修改該地址內容,則會造成沖突。
目前處理器都提供有lock指令;其可以鎖住總線,其他CPU對內存的讀寫請求都會被阻塞,直到鎖釋放;不過目前處理器都采用鎖緩存替代鎖總線(鎖總線的開銷比較大),即lock指令會鎖定一個緩存行。當某個CPU發出lock信號鎖定某個緩存行時,其他CPU會使它們的高速緩存該緩存行失效,同時檢測是對該緩存行中數據進行了修改,如果是則會寫所有已修改的數據;當某個高速緩存行被鎖定時,其他CPU都無法讀寫該緩存行;lock后的寫操作會及時會寫到內存中。
以文件src/os/unix/ngx_gcc_atomic_x86.h為例。
查看ngx_atomic_cmp_set函數實現如下:

#define NGX_SMP_LOCK  "lock;"
static ngx_inline ngx_atomic_uint_t
ngx_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即為上面說的原子比較-交換指令;sete取標志寄存器中ZF位的值,并存儲在%0對應的操作數。函數最后返回標志寄存器zf位。
累加指令格式為xaddl r [m],含義如下:

temp = [m];
[m] += r;
r = temp;

查看ngx_atomic_fetch_add函數實現:

static ngx_inline ngx_atomic_int_t
ngx_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實現了加法功能,其將%0對應操作數加到%1對應操作數,函數最后返回累加之前的舊值。
這里再回到第一小節,cl取值128字節,且注釋表明cl一定要大于等于cache_line_size。cl是什么?三個共享變量之間的偏移量。那假如去掉這個限制,由于每個變量只占8字節,所以三個變量總共占24字節,假設cache_line_size即緩存行大小為64字節,即這三個共享變量可能屬于同一個緩存行。
那么當使用lock指令鎖定ngx_accept_mutex->lock變量時,會鎖定該變量所在的緩存行,從而導致對共享變量ngx_connection_counter和ngx_temp_number同樣執行了鎖定,此時其他CPU是無法訪問這兩個共享變量的。因此這里會限制cl大于等于緩存行大小。

總結

本文簡要介紹了nginx中鎖的實現原理,多核高速緩存沖突問題,內聯匯編簡單語法,以及原子比較-交換操作和原子累加操作的實現。
才疏學淺,如有錯誤或者不足,請指出。

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