无锁同步：计数器
概述
同步问题是并发编程中经常遇到的问题。在用户层次，处理同步问题的一般方法是锁和信号量等，但这些方法都有性能问题。对性能的简单比较见此文最后。
intel x86、x86_64处理器支持compare and swap (CAS)操作，该操作把
- 读取A的值
- 改变A的值
这两个操作变成了一个原子操作，保证不会被其他CPU指令打断。
GCC编译器从4.1.0开始通过内置函数支持CAS操作，具体文档见：http://gcc.gnu.org/onlinedocs/gcc/_005f_005fsync-Builtins.html#_005f_005fsync-Builtins。
因此，使用GCC编译代码时，我们可以不使用系统提供的锁机制，而使用GCC内置同步函数，达到同步的目的，即传说中的“无锁同步”。这里的“无锁”，并不是真的无锁，只是不使用系统提供的锁API了。
应用示例：计数器
这里做一个示例程序。多个线程并发运行，都试图修改一个全局计数器1万次，主线程输出最后结果。
显然，在不处理同步的情况下，计数器最后的结果是不确定的。以下是不同步时的代码和输出结果：
1 /* 2 * 使用GCC __sync_*系列内置原子操作函数. 3 * Author: 赵子清 4 * Blog: http://www.cnblogs.com/zzqcn 5 **/ 6 7 #include <sys/time.h> 8 #include <pthread.h> 9 #include <stdlib.h> 10 #include <stdio.h> 11 12 static int g_count = 0; 13 14 15 void* thread_test(void* arg) 16 { 17 int i; 18 for(i=0; i<10000; ++i) 19 { 20 g_count++; 21 } 22 23 return NULL; 24 } 25 26 27 int main(int argc, char** argv) 28 { 29 pthread_t id[20]; 30 int i; 31 struct timeval t1, t2; 32 double t; 33 34 gettimeofday(&t1, NULL); 35 36 for(i=0; i<20; ++i) 37 pthread_create(&id[i], NULL, thread_test, NULL); 38 39 for(i=0; i<20; ++i) 40 pthread_join(id[i], NULL); 41 42 gettimeofday(&t2, NULL); 43 t = t2.tv_sec - t1.tv_sec + (t2.tv_usec - t1.tv_usec)/1000000.0; 44 45 printf("count: %d, used: %f s\n", g_count, t); 46 return 0; 47 }
运行多次的结果：
| count: 138679, used: 0.003055 s count: 169814, used: 0.003493 s count: 84474, used: 0.004649 s count: 96267, used: 0.002249 s count: 89185, used: 0.002405 s count: 147552, used: 0.003148 s |
接下来，我们使用GCC内置的同步函数，处理同步问题。只需将第20行代码修改为：
__sync_fetch_and_add(&g_count, 1);
修改之后的程序，多次运行结果如下：
| count: 200000, used: 0.009921 s count: 200000, used: 0.008430 s count: 200000, used: 0.008944 s count: 200000, used: 0.007860 s count: 200000, used: 0.009346 s count: 200000, used: 0.004421 s |
可见确实起到了同步效果。
与标准锁机制的性能比较
如果对上例使用pthread互斥量，性能会如何呢？我们把原程序的第13到第24行改为如下代码：
1 pthread_mutex_t mutex = PTHREAD_MUTEX_INITIALIZER; 2 3 void* thread_test(void* arg) 4 { 5 int i; 6 for(i=0; i<10000; ++i) 7 { 8 pthread_mutex_lock(&mutex); 9 g_count++; 10 pthread_mutex_unlock(&mutex); 11 } 12 13 return NULL; 14 }
修改后编译，运行多次的结果如下：
| count: 200000, used: 0.048875 s count: 200000, used: 0.035149 s count: 200000, used: 0.053074 s count: 200000, used: 0.044250 s count: 200000, used: 0.047366 s count: 200000, used: 0.047658 s |
可见，使用pthread互斥量时，执行时间几乎多了10倍！！！虽然这不能代表所有锁机制的性能，但从一个侧面反映了CAS原子操作相对于系统锁机制，带来的性能提升。
参考资料
【1】 GCC文档 Legacy __sync Built-in Functions for Atomic Memory Access
