nonblocking algorithms/cas/atomics by alexey fyodorov

Алексей Федоров, Одноклассники / JUG.ru

Атомики, CAS и неблокирующие алгоритмы

Зачем вы здесь?

4Модели

• Модель с разделяемой памятью- Регистры

- Операции: read, write- Удобно программировать, все привыкли

• Модель с передачей сообщений- Послать сообщение- Похожа на то, как реально работает железо

5Терминология

• Нет устоявшейся терминологии• Термины:• Parallel

- Concurrent- Distributed

6Виды параллелизма

• На уровне операционной системы• На уровне одной программы / процесса

7Параллелизм — ОС

• Слушать музыку и переписываться в фейсбуке в Одноклассниках

• При зависании одной программы другие продолжают работать

• и т.п.

8Преимущества параллелизма

• Использование нескольких ядер/процессоров- Да и на 1 ядре тоже! (async I/O)

• Простота моделирования- Абстракция: фреймворкзабирает сложность

• Упрощенная обработка асинхронных событий

• Более отзывчивые интерфейсы пользователя- Event Dispatch Thread (EDT), async calls

9Параллелизм на уровне отдельно взятой программы

• Эффективное использование ресурсов• Удобство, простота написания кода• Справедливость

- Обработка запросов пользователей на серверах соцсети с одинаковым приоритетом

- Читатели и писатели- Fairness (честность)

10

Lock lock = new ReentrantLock(true);

11Честность!

Lock lock = new ReentrantLock(true);

12Блокировки

• java.util.concurrent — since Java 5- Lock —> ReentrantLock- ReadWriteLock —> ReentrantReadWriteLock- StampedLock — since Java 8

• Synchronized method / section• wait() / notify() / notifyAll()

13Блокировки

• java.util.concurrent — since Java 5- Lock —> ReentrantLock- ReadWriteLock —> ReentrantReadWriteLock- StampedLock — since Java 8

• Synchronized method / section• wait() / notify() / notifyAll()

Общее: ожидание

14Проблемы блокировок

• Взаимоблокировки (Deadlocks)• Инверсия приоритетов• Надежность — вдруг владелец блокировки помрет?• Performance

- Параллелизма в критической секции нет!- Владелец блокировки может быть вытеснен

планировщиком

15Закон Амдала

• α — часть общего объема вычислений, которую нельзя распараллелить

• 1-α — часть, которую можно распараллелить

• p — количество потоков

16Закон Амдала

• α — часть общего объема вычислений, которую нельзя распараллелить

• 1-α — часть, которую можно распараллелить

• p — количество потоков

Неблокирующие алгоритмы

18Классификация

• Без препятствий (Obstruction-‐Free) — поток совершает прогресс, если не встречает препятствий со стороны других потоков

• Без блокировок (Lock-‐Free)— гарантируется системный прогресс хотя бы одного потока

• Без ожидания (Wait-‐Free)—каждая операция выполняется за фиксированное число шагов, не зависящее от других потоков

19Консенсус

• Объект consensus с операцией decide(v):- consensus.decide(v) ≠ const- wait-‐free

• N Потоков вызывают consensus.decide()- i-‐ый поток вызывает consensus.decide(vi)- Каждый поток вызывает не более 1 раза- decide() возвращает одно из vi

• decide() — протокол консенсуса

20Консенсусное число

• Мощность консенсуса — максимальное количество (N) потоков, для которых данный объект обеспечивает консенсус

• Консенсусное число примитива синхронизации —максимальная мощность консенсуса, который можно построить на базе данного примитива и некоторого количества атомарных регистров- То есть, существует реализация метода decide для N потоков,

использующая данный примитив как строительный блок

21Консенсусные числа различных операций

• Операции на регистрах — 1• Read-‐Modification-‐Write (RMW)— 2

- Common2 Class— коммутируют друг с другом или перезаписывают друг друга

- Универсальные операции —∞- Сравнение с обменом (CAS):

Compare-‐And-‐Swap, Compare-‐And-‐Set

22Compare and Swap

• Compare-‐and-‐swap (CAS)- IA32, x64 - SPARC

• load-‐linked / store-‐conditional (LL/SC)- PowerPC- ARM

23Семантика CAS

24CAS Loop — типичный паттерн применения

1. Прочитать значение A из переменной V2. Взять какое-‐то новое значение B для V3. Использовать CAS для атомарного изменения V из A в B до тех

пор, пока другие потоки меняют значение V во время этого процесса

Атомарность Read-‐Modify-‐Write реализуется за счет постоянного мониторинга системы на предмет постороннего вмешательства

25Пример: неблокирующий счетчик

26Fast vs. slow path

• Каждый блок кода может иметь, как минимум, два пути исполнения: короткий и длинный

• Lock: contended vs. Uncontended

• Uncontended Lock:- ≥ 1 CAS

27Недостатки CAS

• CAS заставляет потоки, которые его вызывают, работать в условиях соревнования (contention)- Больше contention = больше бесполезных циклов

процессора, трата процессорного времени

• Написание корректных и быстрых алгоритмов на CAS требует специальной подготовки

Поддержка в Java

29Поддержка CAS в Java

• В Java 5 появился JSR166- пакет java.util.concurrent- пакет java.util.concurrent.atomic

• На платформах, поддерживающих CAS, JIT-‐компилятор делает inline соответствующих машинных инструкций

• Load Linked / Store Conditional

30Atomic variable classes

• Scalars• Field updaters• Arrays• Compound variables• Accumulators

- since Java 8

31Scalars

• AtomicBoolean• AtomicInteger• AtomicLong• AtomicReference

32AtomicLong

• boolean compareAndSet(int expect, int update)• long addAndGet(int delta)• long getAndAdd(int delta)• long getAndDecrement()• long getAndIncrement()• long incrementAndGet()• …

33AtomicLong

• boolean compareAndSet(int expect, int update)• long addAndGet(int delta)• long getAndAdd(int delta)• long getAndDecrement()• long getAndIncrement()• long incrementAndGet()• …

35

atomicLong.getAndAdd(5)

loop:mov 0x10(%rbx),%raxmov %rax,%r11add $0x5,%r11lock cmpxchg %r11,0x10(%rbx)sete %r11bmovzbl %r11b,%r11dtest %r10d,%r10dje loop

JDK 7u80 -‐XX:+PrintAssembly

36


lock addq $0x5,0x10(%rbp))loop:mov 0x10(%rbx),%raxmov %rax,%r11add $0x5,%r11lock cmpxchg %r11,0x10(%rbx)sete %r11bmovzbl %r11b,%r11dtest %r10d,%r10dje loop

JDK 7u80 -‐XX:+PrintAssembly JDK 8u60 -‐XX:+PrintAssembly

37


lock addq $0x5,0x10(%rbp))loop:mov 0x10(%rbx),%raxmov %rax,%r11add $0x5,%r11lock cmpxchg %r11,0x10(%rbx)sete %r11bmovzbl %r11b,%r11dtest %r10d,%r10dje loop

JDK 7u80 -‐XX:+PrintAssembly JDK 8u60 -‐XX:+PrintAssembly

83

46

15 11

132105

45 43

1 2 3 4

ops / μs

threads

39Multivariable Invariant

40Multivariable Invariant

41Field Updaters

• AtomicIntegerFieldUpdater- Reflection-‐based updater for volatile int

• AtomicLongFieldUpdater- Reflection-‐based updater for volatile long

• AtomicReferenceFieldUpdater

- Reflection-‐based updater for volatile object

42AtomicLongFieldUpdater

long addAndGet(T obj, long delta)

boolean compareAndSet(T obj, long exp, long upd)

long getAndAdd(T obj, long delta)

long incrementAndGet(T obj)

Demo. Legacy Volatile Counter

46AtomicArrays

• AtomicIntegerArray

• AtomicLongArray

• AtomicReferenceArray

47AtomicLongArray

• long addAndGet(int i, long delta)

• long getAndAdd(int i, long delta)

• boolean compareAndSet(int i, long exp, long upd)

• long incrementAndGet(int i)

• …

48Compound Variables

AtomicMarkableReferenceV compareAndSet(

V expectedRef, V newRef, boolean expectedMark, boolean newMark)

AtomicStampedReferenceboolean compareAndSet(

V expectedRef, V newRef, int expectedStamp, int newStamp)

49Accumulators

• DoubleAccumulator

• DoubleAdder

• LongAccumulator

• LongAdder

• (Striped64)

50LongAccumulator

• void accumulate(long x)

• long get()

• long getThenReset()

• Void reset()

51

• Алгоритм называется неблокирующим (nonblocking), если отказ или остановка любого потока не может привести к отказу или остановке любого другого потока

• Алгоритм называется свободным от блокировок (lock-‐free), если на каждом шаге какой-‐то поток выполняет работу (make progress)

51


52

• Алгоритм называется неблокирующим (nonblocking), если отказ или остановка любого потока не может привести к отказу или остановке любого другого потока

• Алгоритм называется свободным от блокировок (lock-‐free), если на каждом шаге какой-‐то поток выполняет работу (make progress)

• nonblockingи lock-‐free — это разные вещи!- Алгоритмы на CAS могут быть одновременно неблокирующими и

свободными от блокировок

52


53Неблокирующий стек

56Неблокирующая очередь

• Michael and Scott, 1996• Потоки помогают друг другу

Литература

61DL и все-все-все

http://altair.cs.oswego.edu/mailman/listinfo/concurrency-‐interest

To post a message to all the list members, send email toconcurrency-‐[email protected]

62Много полезных видео

63

https://bitbucket.org/23derevo/concurrency

Вопросы и ответы

Спасибо за внимание!

@[email protected]@corp.mail.ru

nonblocking algorithms/cas/atomics by alexey fyodorov

Technology