无锁是万能药吗

经常会听到有人这样说,把某个地方的锁换成了无锁(lockfree)以后,性能提高了多少多少倍。 不禁会让人产生疑问:是不是只要有锁的地方,换成lockfree后都可以提高性能呢?

答案是具体情况需具体分析。

一部分朋友觉得用锁会影响性能,其实锁指令本身很简单,影响性能的是锁争用(Lock Contention1),导致scalability非常差2。什么叫锁争用,就是两个线程都想进入临界区,但只能有一个线程能进去,这样就影响了并发度。有兴趣的朋友可以去看看glibc中pthread_mutex_lock的源码实现,在没有contention的时候,就是一条CAS指令,内核都没有陷入;在contention发生的时候,选择陷入内核然后睡觉,等待某个线程unlock后唤醒(详见Futex)。

“只有一个线程在临界区”这件事对lockfree也是成立的,只不过所有线程都可以进临界区,最后只有一个线程可以make progress,其它线程再做一遍。

所以contention在有锁和无锁编程中都是存在的,那为什么无锁有些时候会比有锁更快?他们的不同体现在拿不到锁的态度:有锁的情况就是睡觉,无锁的情况就不断spin。睡觉这个动作会陷入内核,发生context switch,这个是有开销的,但是这个开销能有多大3呢,当你的临界区很小的时候,这个开销的比重就非常大。这也是为什么临界区很小的时候,换成lockfree性能通常会提高很多的原因。

再来看lockfree的spin4,一般都遵循一个固定的格式:先把一个不变的值X存到某个局部变量A里,然后做一些计算,计算/生成一个新的对象,然后做一个CAS操作,判断A和X还是不是相等的,如果是,那么这次CAS就算成功了,否则再来一遍。如果上面这个loop里面“计算/生成一个新的对象”非常耗时并且contention很严重,那么lockfree性能有时会比mutex差。另外lockfree不断地spin引起的CPU同步cacheline的开销也比mutex版本的大。

lockfree的意义不在于绝对的高性能,它比mutex的优点是使用lockfree可以避免死锁/活锁,优先级翻转等问题。但是因为ABA problem、memory order5等问题,使得lockfree比mutex难实现得多。

除非性能瓶颈已经确定,否则还是乖乖用mutex+condvar,等到以后出bug了就知道mutex的好了。如果一定要换lockfree,请一定要先profile,profile,profile!确保时间花在刀刃上。


  1. http://preshing.com/20111118/locks-arent-slow-lock-contention-is/

  2. A classic paper on how different locking alternatives do and don’t scale: “The Performance of Spin Lock Alternatives for Shared-Memory Multiprocessors”

  3. context switch的开销不仅仅是push和pop寄存器,它还引发了cache、TLB、branch predictor等CPU状态的丢失,具体如何测量CS的值,请参考“lmbench: Portable tools for performance analysis”

  4. 有同学问无锁和自旋锁有什么区别,不都是在一个循环里spin吗?自旋锁的本质还是应用层的锁,当一个线程持有锁后,被调度出去了,其它线程还是无法继续,而lockfree不是这样的,它可以保证至少一个线程make progress

  5. 关于memory order,这是个不错的入门资料:http://www.chongh.wiki/categories/High-performance/

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