从 split lock 到 i++：计算机并发的教科书式灾难
2024-02-03 10:05:11
split lock 是什么？
split lock 是一种硬件机制，它允许多个处理器同时访问同一个缓存行中的数据，同时保证数据的完整性和一致性。split lock 的基本原理是，当一个处理器需要访问某个缓存行中的数据时，它会向内存总线发出一个 split lock 请求。如果内存总线上的其他处理器没有对该缓存行进行写操作，那么该处理器就会获得 split lock，并可以独占地访问该缓存行中的数据。
i++ 操作可能导致的灾难
i++ 是一个非常常见的操作，它可以将一个变量的值加 1。在单核处理器上，i++ 操作是原子操作，这意味着它不会被中断。然而，在多核处理器上，i++ 操作可能就不是原子操作了。这是因为，当多个处理器同时执行 i++ 操作时，它们可能会同时对同一个变量进行修改，从而导致数据不一致。
例如，考虑以下代码：
int i = 0;
Thread t1 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
i++;
}
});
Thread t2 = new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
i++;
}
});
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println(i);
这段代码中，两个线程同时对变量 i 进行加 1 操作。如果这两个线程同时执行 i++ 操作，那么最终的结果可能会小于 2000000。这是因为，当一个线程执行 i++ 操作时，另一个线程可能正在执行 i 的读操作。此时，如果这两个线程同时对 i 的值进行修改，那么最终的结果就会不正确。
如何避免 split lock 导致的灾难？
要避免 split lock 导致的灾难，可以采用以下几种方法：
- 使用原子操作
原子操作是指不会被中断的操作。在 Java 中，可以使用 AtomicInteger 类来实现原子操作。AtomicInteger 类提供了原子性的增减操作，可以保证即使在多核处理器上，i++ 操作也是原子操作。
- 使用锁
锁是一种同步机制，它可以防止多个线程同时访问同一个资源。在 Java 中，可以使用 synchronized 来实现锁。当一个线程获取了锁之后，其他线程就无法访问该资源，直到该线程释放锁。
- 使用无锁数据结构
无锁数据结构是一种不需要使用锁就可以保证数据一致性的数据结构。无锁数据结构的典型代表是 CAS（Compare and Swap）算法。CAS 算法可以原子地比较和交换两个值，从而保证数据的完整性和一致性。
结论
split lock 是一种硬件机制，它可以防止多个处理器同时修改同一个缓存行中的数据，从而保证数据的完整性和一致性。然而，不当使用 split lock 可能会导致灾难性的后果，例如死锁。为了避免 split lock 导致的灾难，可以采用原子操作、锁和无锁数据结构等方法。
