Programmation lock free - les techniques des pros (1ere partie)

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Programmation Lock-Free :
les techniques des pros
Ullink
Architecte Performance
@jpbempel
http://jpbempel.blogspot.com
jpbempel@ullink.com

@jpbempel#LockFree
Objectif
Réduction de la contention pour une meilleure scalabilité

@jpbempel#LockFree
Agenda 1ère partie
Mesurer la contention
Copy On Write
Lock striping
Compare-And-Swap
Introduction au Modèle Mémoire Java

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Immutabilité

Contention

Contention
2 threads ou plus essayant d'acquérir
un lock
Threads en attente de la libération du
lock
Raison numéro 1 pour éviter les locks
Photo de Filip Bogdan

Measure, don’t guess!
Kirk Pepperdine & Jack Shirazi

Measure, don’t
premature!

Bloc Synchronized
•Profilers (YourKit, JProfiler, ZVision)
•JVMTI native agent
•Résultats peuvent être difficiles à exploiter

java.util.concurrent.Lock
•JVM ne peut aider ici
•classes du JDK, code classique
•JProfiler peut les profiler
•Modification classes j.u.c + bootclasspath (jucProfiler)

Insertion de compteur de contention
•Identifier les endroits où l’acquisition des locks échouent
•Incrémenter le compteur
Identifier les locks
•Callstack à l’instanciation
•logger le statut des compteurs
Comment mesurer les locks existants dans votre code
•Modifier les classes du JDK
•Réintroduire ces classes dans les bootclasspath

Copy On Write

Copier toutes les données quand il y a modification
Très simple, même chose que l’immutabilité
Même problèmes que l’immutabilité (surcoût copie, GC)
Fonctionne bien pour structures à faible modification
Copy On Write

Meilleur exemple dans JDK: CopyOnWriteArrayList
Parfait pour les listes de listeners
Autre usage interne: CopyOnWriteHashMap
Maps de référence
Copy On Write

Lock striping

Réduire la contention en la distribuant
N’enlève pas de locks, mais en ajoute !
Efficacité dépend d’un bon partitionnement (cf HashMap)
Lock striping

Meilleur exemple dans JDK: ConcurrentHashMap [JDK7]
Lock striping

Relativement simple à implémenter
Peut être très efficace si bon partitionnement
Peut être affiné (nombre de partitions) en fonction de la
contention/niveau de concurrence
Lock striping

Compare-And-Swap

Primitive pour n’importe quel algorithme Lock-Free
Utilisé pour implémenter locks et primitives de
synchronisations
Géré directement par le CPU (instruction dédiée)
Compare-And-Swap

Met à jour de façon atomique un emplacement mémoire par
une valeur si la précédente est celle attendue
instruction à 3 arguments:
•adresse mémoire (rbx)
•valeur attendue (rax)
•nouvelle valeur (rcx)
Compare-And-Swap
movabs rax,0x2a
movabs rcx,0x2b
lock cmpxchg QWORD PTR [rbx],rcx

Compare-And-Swap

En Java pour les classes AtomicXXX :
L’adresse mémoire est le champ value de la classe
Compare-And-Swap
boolean compareAndSet(expect, update)

Incrément atomique avec CAS
[JDK7] getAndIncrement():
[JDK8] getAndIncrement():
“intrinsèquifier”:
Compare-And-Swap: AtomicLong
while (true) {
long current = get();
long next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
movabs rsi,0x1
lock xadd QWORD PTR [rdx+0x10],rsi

Echange atomique avec CAS
[JDK7] long getAndSet(long newValue):
[JDK8] long getAndSet(long newValue):
“intrinsèquifier”:
Compare-And-Swap: AtomicLong
while (true) {
long current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))
return current;
}
return unsafe.getAndSetLong(this, valueOffset, newValue);
xchg QWORD PTR [rsi+0x10],rdi

ReentrantLock est implémenté avec CAS
Si CAS échoue => Lock déjà acquis
Compare-And-Swap: lock
volatile int state;
lock()
compareAndSet(0, 1);
unlock():
setState(0);

L’algorithme lock-free le plus simple
Utilise CAS pour mettre à jour le pointeur suivant dans la
liste chainée
Si CAS échoue, une mise à jour concurrente a eu lieu
Lire la nouvelle valeur, aller à l’élément suivant et
renouveler le CAS
Compare-And-Swap: ConcurrentLinkedQ

Compare-And-Swap: ConcurrentLinkedQ

Modèle Mémoire Java
(Introduction)

Premier langage à avoir un modèle mémoire bien défini:
Java JDK5 (2004) avec le JSR 133
C++ obtient le sien en 2011 (C++11)
Avant cela, certaines constructions sont non définies ou
différentes en fonction de la plateforme/compilateur
(ex : Double Check Locking)
Modèle Mémoire Java

Ordonnancement mémoire
int a;
int b;
boolean enabled;
{ {
a = 21; enabled = true;
b = a * 2; a = 21;
enabled = true; b = a * 2;
} }
JIT Compiler

int a;
int b;
boolean enabled;
Thread 1 Thread 2
{ {
a = 21; if (enabled) {
b = a * 2; int answer = b;
enabled = true; process(answer);
} }
}

int a;
int b;
volatile boolean enabled;
Thread 1 Thread 2
{ {
a = 21; if (enabled) {
b = a * 2; int answer = b;
enabled = true; process(answer);
} }
}

Peut être à 2 niveaux: Compilateur & Hardware
En fonction de l’architecture du CPU, la barrière n’est pas
forcément requise
x86: Modèle fort, réordonnancement limité
Barrière Mémoire

Barrière mémoire

Champ volatile implique des barrières mémoires
Barrière compilateur : empêche réordonnancement
Barrière matérielle : S’assure que les buffers sont vidés
Sur x86, seule la barrière d’écriture est nécessaire
Barrière mémoire: volatile
lock add DWORD PTR [rsp],0x0

CAS est aussi une barrière mémoire
Compilateur : Reconnu par le JIT (Unsafe)
Matérielle : toutes les instructions lock agissent comme une
barrière mémoire
Barrière mémoire: CAS

blocs synchronized ont aussi des barrières mémoires
Entrée du bloc: Barrière mémoire de lecture
Sortie du bloc: Barrière mémoire d’écriture
Barrière mémoire: synchronized
synchronized (this)
{
enabled = true;
a = 21;
b = a * 2;
}

Méthode des classes AtomicXXX
Barrière mémoire seulement pour le compilateur
Pas de barrière mémoire matérielle pour l’écriture
Garantit toujours l’ordonnancement, mais l’effet ne sera
pas immédiat pour les autres threads
Barrière mémoire: lazySet

Ce qu’il faut retenir

Mesurer
Copier
Distribuer
Mettre à jour atomiquement
Ordonner
Ce qu’il faut retenir

A suivre...

Disruptor & Ring Buffer
wait/notify – await/signal
Attente active (Spinning)
Queues lock-free (JCTools)
Ticketage : OrderedScheduler
A suivre dans la 2ème partie

@jpbempel#LockFree
Références
•jucProfiler: http://www.infoq.com/articles/jucprofiler
•Java Memory Model Pragmatics: http://shipilev.net/blog/2014/jmm-
pragmatics/
•Memory Barriers and JVM Concurrency:
http://www.infoq.com/articles/memory_barriers_jvm_concurrency
•JSR 133 (FAQ):
http://www.cs.umd.edu/~pugh/java/memoryModel/jsr-133-faq.html
•CPU cache flushing fallacy: http://mechanical-
sympathy.blogspot.fr/2013/02/cpu-cache-flushing-fallacy.html
•atomic<> Weapons:
http://channel9.msdn.com/Shows/Going+Deep/Cpp-and-Beyond-
2012-Herb-Sutter-atomic-Weapons-1-of-2

Q & A
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