从ObjectPool到CAS指令

相信最近看过我的文章的朋友对于Microsoft.Extensions.ObjectPool不陌生;复用、池化是在很多高性能场景的优化技巧,它能减少内存占用率、降低GC频率、提升系统TPS和降低请求时延。

那么池化和复用对象意味着同一时间会有多个线程访问池,去获取和归还对象,那么这肯定就有并发问题。那ObjectPool在涉及多线程访问资源应该怎么做到线程安全呢?

今天就带大家通过学习ObjectPool的源码聊一聊它是如何实现线程安全的。

源码解析

ObjectPool的关键就在于两个方法,一个是Get用于获取池中的对象,另外就是Return用于归还已经使用完的对象。我们先来简单的看看ObjectPool的默认实现DefaultObjectPool.cs类的内容。

私有字段

先从它的私有变量开始,下面代码中给出,并且注释了其作用:

// 用于存放池化对象的包装数组 长度为构造函数传入的max - 1
// 为什么 -1 是因为性能考虑把第一个元素放到 _firstItem中
private protected readonly ObjectWrapper[] _items;

// 池化策略 创建对象 和 回收对象的防范
private protected readonly IPooledObjectPolicy _policy;

// 是否默认的策略 是一个IL优化 使编译器生成call 而不是 callvirt
private protected readonly bool _isDefaultPolicy;

// 因为池化大多数场景只会获取一个对象 为了性能考虑 单独整一个对象不放在数组中 
// 避免数组遍历
private protected T? _firstItem;

// 这个类是在2.1中引入的,以尽可能地避免接口调用 也就是去虚拟化 callvirt
private protected readonly PooledObjectPolicy? _fastPolicy;

构造方法

另外就是它的构造方法,默认实现DefaultObjectPool有两个构造函数,代码如下所示:

/// 
/// Creates an instance of .
/// 
/// The pooling policy to use.
public DefaultObjectPool(IPooledObjectPolicy policy)
    : this(policy, Environment.ProcessorCount * 2)
{
    // 从这个构造方法可以看出,如果我们不指定ObjectPool的池大小
    // 那么池大小会是当前可用的CPU核心数*2
}

/// 
/// Creates an instance of .
/// 
/// The pooling policy to use.
/// The maximum number of objects to retain in the pool.
public DefaultObjectPool(IPooledObjectPolicy policy, int maximumRetained)
{
    _policy = policy ?? throw new ArgumentNullException(nameof(policy));

    // 是否为可以消除callvirt的策略
    _fastPolicy = policy as PooleObjectPolicy;
    // 如上面备注所说 是否为默认策略 可以消除callvirt
    _isDefaultPolicy = IsDefaultPolicy();

    // 初始化_items数组 容量还剩一个在 _firstItem中
    _items = new ObjectWrapper[maximumRetained - 1];

    bool IsDefaultPolicy()
    {
        var type = policy.GetType();

        return type.IsGenericType && type.GetGenericTypeDefinition() == typeof(DefaultPooledObjectPolicy);
    }
}

Get 方法

如上文所说,Get()方法是ObjectPool中最重要的两个方法之一,它的作用就是从池中获取一个对象,它使用了CAS近似无锁的指令来解决多线程资源争用的问题,代码如下所示:

public override T Get()
{
    // 先看_firstItem是否有值
    // 这里使用了 Interlocked.CompareExchange这个方法
    // 原子性的判断 _firstItem是否等于item
    // 如果等于那把null赋值给_firstItem
    // 然后返回_firstItem对象原始的值  反之就是什么也不做
    var item = _firstItem;
    if (item == null || Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, null, item) != item)
    {

        var items = _items;
        // 遍历整个数组
        for (var i = 0; i 

上面代码中,有一个点解释一下Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, null, item) != item,其中!=item,如果其等于item就说明交换成功了,当前线程获取到_firstItem元素的期间没有其它线程修改_firstItem的值。

Return 方法

Retrun(T obj)方法是ObjectPool另外一个重要的方法,它的作用就是当程序代码把从池中获取的对象使用完以后,将其归还到池中。同样,它也使用CAS指令来解决多线程资源争用的问题,代码如下所示:

public override void Return(T obj)
{
    // 使用策略的Return方法对元素进行处理
    // 比如 List 需要调用Claer方法清除集合内元素
    // StringBuilder之类的也需要调用Claer方法清除缓存的字符
    if (_isDefaultPolicy || (_fastPolicy?.Return(obj) ?? _policy.Return(obj)))
    {
        // 先尝试将归还的元素赋值到 _firstItem中
        if (_firstItem != null || Interlocked.CompareExchange(ref _firstItem, obj, null) != null)
        {
            var items = _items;
            // 如果 _firstItem已经存在元素
            // 那么遍历整个数组空间 找一个存储为null的空位将对象存储起来
            for (var i = 0; i 

从核心的Get()Set()方法来看,其实整个代码是比较简单的,除了有一个_firstItem有一个简单的优化,其余没有什么特别的复杂的逻辑。

主要的关键就在Interlocked.CompareExchange方法上,我们在下文来仔细研究一下这个方法。

关于 Interlocked.CompareExchange

Interlocked.CompareExchange它实际上是一个CAS的实现,也就是Compare And Swap,从名字就可以看出来,它就是比较然后交换的意思。

从下面的代码段我们也可以看出来,它总共需要三个参数。其特性就是只有当localtion1 == comparand的时候才会将value赋值给localtion1,另外吧localtion1的原始值返回出来,这些操作都是原子性的。

// localtion1 需要比较的引用A
// value 计划给引用A 赋的值
// comparand 和引用A比较的引用
public static T CompareExchange (ref T location1, T value, T comparand) 
where T : class;

一个简单的流程如下所示:
从ObjectPool到CAS指令插图
简单的使用代码如下所示:

var a = 1;
// a == 1的话就将其置为0
// 判断是否成功就看返回的值是否为a的原始值
if(Interlocked.CompareExchange(ref a, 0, 1) == 1)
    Console.WriteLine("1.成功");

// 现在a已经变为0 这个交换不会成功
if(Interlocked.CompareExchange(ref a, 0, 1) == 1)
    Console.WriteLine("2.成功");

结果如下所示,只有当a的原始值为1的时候,才会交换成功:
从ObjectPool到CAS指令插图1

那么Interlocked.CompareExchange是如何做到原子性的?在多核CPU中,数据可能在内存或者L1、L2、L3中(如下图所示),我们如何保证能原子性的对某个数据进行操作?

从ObjectPool到CAS指令插图2

实际上这是CPU提供的功能,如果查看过JIT编译的结果,可以看到CompareExchange是由一条叫lock cmpxchgl的汇编指令支撑的。

从ObjectPool到CAS指令插图3

其中lock是一个指令前缀,汇编指令被lock修饰后会成为"原子的",lock指令有两种实现方法:

  • 早期 - Pentium时代(锁总线),在Pentium及之前的处理器中,带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线,使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存,很显然,这个开销很大。
  • 现在 - P6以后时代(锁缓存),在新的处理器中,Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性,缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。

现在这里的锁缓存(Cache Locking)就是用了Ringbus + MESI协议。

MESI协议是 Cacheline 四种状态的首字母的缩写,分别是修改(Modified)态、独占(Exclusive)态、共享(Shared)态和失效(Invalid)态。 Cache 中缓存的每个 Cache Line 都必须是这四种状态中的一种。

修改态(Modified),如果该 Cache Line 在多个 Cache 中都有备份,那么只有一个备份能处于这种状态,并且“dirty”标志位被置上。拥有修改态 Cache Line 的 Cache 需要在某个合适的时候把该 Cache Line 写回到内存中。但是在写回之前,任何处理器对该 Cache Line在内存中相对应的内存块都不能进行读操作。 Cache Line 被写回到内存中之后,其状态就由修改态变为共享态。

独占态(Exclusive),和修改状态一样,如果该 Cache Line 在多个 Cache 中都有备份,那么只有一个备份能处于这种状态,但是“dirty”标志位没有置上,因为它是和主内存内容保持一致的一份拷贝。如果产生一个读请求,它就可以在任何时候变成共享态。相应地,如果产生了一个写请求,它就可以在任何时候变成修改态。

共享态(Shared),意味着该 Cache Line 可能在多个 Cache 中都有备份,并且是相同的状态,它是和内存内容保持一致的一份拷贝,而且可以在任何时候都变成其他三种状态。

失效态(Invalid),该 Cache Line 要么已经不在 Cache 中,要么它的内容已经过时。一旦某个Cache Line 被标记为失效,那它就被当作从来没被加载到 Cache 中。

总得来说,若干个CPU核心通过Ringbus连到一起。每个核心都维护自己的Cache的状态。如果对于同一份内存数据在多个核里都有Cache,则状态都为S(Shared)。

一旦有一核心改了这个数据(状态变成了M),其他核心就能瞬间通过Ringbus感知到这个修改,从而把自己的Cache状态变成I(Invalid),并且从标记为M的Cache中读过来。同时,这个数据会被原子的写回到主存。最终,Cache的状态又会变为S。

关于MESI协议更详细的信息就不在本文中介绍了,在计算机操作系统和体系结构相关书籍和资料中有更详细的介绍。

然后compxchg这个指令就很简单了,和我们之前提到的一样,比较两个地址中的值是否相等,如果相等的话那么就修改。

Interlocked类中的其它方法也是同样的原理,我们可以看看Add之类的方法,同样是在对应的操作指令前加了lock指令。
从ObjectPool到CAS指令插图4

总结

本文主要是带大家看了下ObjectPool的源码,然后看了看ObjectPool能实现无锁线程安全的最大功臣Interlocked.CompareExchange方法;然后通过汇编代码了解了一下Interlocked类中的一些方法是如何做到原子性的。

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文章来源于互联网:从ObjectPool到CAS指令

THE END
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