淺談C++高並發場景下讀多寫少的優化方案

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概述

一談到高並發的優化方案，往往能想到模塊水平拆分、數據庫讀寫分離、分庫分表，加緩存、加mq等，這些都是從系統架構上解決。單模塊作為系統的組成單元，其性能好壞也能很大的影響整體性能，本文從單模塊下讀多寫少的場景出發，探討其解決方案，以其更好的實現高並發。
不同的業務場景，讀和寫的頻率各有側重，有兩種常見的業務場景：

  • 讀多寫少：典型場景如廣告檢索端、白名單更新維護、loadbalancer
  • 讀少寫多：典型場景如qps統計

本文針對讀多寫少（也稱一寫多讀）場景下遇到的問題進行分析，並探討一種合適的解決方案。

分析

讀多寫少的場景，服務大部分情況下都是處於讀，而且要求讀的耗時不能太長，一般是毫秒或者更低的級別；更新的頻率就不是那麼頻繁，如幾秒鐘更新一次。通過簡單的加互斥鎖，騰出一片臨界區，往往能到達預期的效果，保證數據更新正確。

但是，隻要加瞭鎖，就會帶來競爭，即使加的是讀寫鎖，雖然讀之間不互斥，但寫一樣會影響讀，而且讀寫同時爭奪鎖的時候，鎖優先分配給寫（讀寫鎖的特性）。例如，寫的時候，要求所有的讀請求阻塞住，等到寫線程或協程釋放鎖之後才能讀。如果寫的臨界區耗時比較大，則所有的讀請求都會受影響，從監控圖上看，這時候會有一根很尖的耗時毛刺，所有的讀請求都在隊列中等待處理，如果在下個更新周期來之前，服務能處理完這些讀請求，可能情況沒那麼糟糕。但極端情況下，如果下個更新周期來瞭，讀請求還沒處理完，就會形成一個惡性循環，不斷的有讀請求在隊列中等待，最終導致隊列被擠滿，服務出現假死，情況再惡劣一點的話，上遊服務發現某個節點假死後，由於負載均衡策略，一般會重試請求其他節點，這時候其他節點的壓力跟著增加瞭，最終導致整個系統出現雪崩。

因此，加鎖在高並發場景下要盡量避免，如果避免不瞭，需要讓鎖的粒度盡量小，接近無鎖（lock-free）更好，簡單的對一大片臨界區加鎖，在高並發場景下不是一種合適的解決方案

雙緩沖

有一種數據結構叫雙緩沖，其這種數據結構很常見，例如顯示屏的顯示原理，顯示屏顯示的當前幀，下一幀已經在後臺的buffer準備好，等時間周期一到，就直接替換前臺幀，這樣能做到無卡頓的刷新，其實現的指導思想是空間換時間，這種數據結構的工作原理如下：

  • 數據分為前臺和後臺
  • 所有讀線程讀前臺數據，不用加鎖，通過一個指針來指向當前讀的前臺數據
  • 隻有一個線程負責更新，更新的時候，先準備好後臺數據，接著直接切指針，這之後所有新進來的讀請求都看到瞭新的前臺數據
  • 有部分讀還落在老的前臺那裡處理，因為更新還不算完成，也就不能退出寫線程，寫線程需要等待所有落在老前臺的線程讀完成後，才能退出，在退出之前，順便再更新一遍老前臺數據（也就當前的新後臺），可以保證前後臺數據一致，這點在做增量更新的時候有用

工程實現上需要攻克的難點

寫線程要怎麼知道所有的讀線程在老前臺中的讀完成瞭呢？

一種做法是讓各個讀線程都維護一把鎖，讀的時候鎖住，這時候不會影響其他線程的讀，但會影響寫，讀完後釋放鎖(某些時候可能會有通知寫線程的開銷，但寫本身很少)，寫線程隻需要確認鎖有沒有釋放瞭，確認完瞭後馬上釋放，確認這個動作非常快（小於25ns，1s=103ms=106us=10^9ns），讀線程幾乎不會感覺到鎖的存在。

每個線程都有一把自己的鎖，需要用全局的map來做線程id和鎖的映射嗎？

不需要，而且這樣做全局map就要加全局鎖瞭，又回到瞭剛開始分析中遇到的問題瞭。其實，每個線程可以有私有存儲（thread local storage，簡稱TLS），如果是協程，就對應這協程的TLS（但對於go語言，官方是不支持TLS的，想實現類似功能，要麼就想辦法獲取到TLS，要麼就不要基於協程鎖，而是用全局鎖，但盡量讓鎖粒度小，本文主要針對C++語言，暫時不深入討論其他語言的實現）。這樣每個讀線程鎖的是自己的鎖，不會影響到其他的讀線程，鎖的目的僅僅是為瞭保證讀優先。
對於線程私有存儲，可以使用pthread_key_create, pthread_setspecific，pthread_getspecific系列函數

核心代碼實現

讀

template <typename T, typename TLS>
int DoublyBufferedData<T, TLS>::Read(
    typename DoublyBufferedData<T, TLS>::ScopedPtr* ptr) { // ScopedPtr析構的時候，會釋放鎖
    Wrapper* w = static_cast<Wrapper*>(pthread_getspecific(_wrapper_key)); //非首次讀，獲取pthread local lock
    if (BAIDU_LIKELY(w != NULL)) {
        w->BeginRead();    // 鎖住
        ptr->_data = UnsafeRead();
        ptr->_w = w;
        return 0;
    }
    w = AddWrapper();
    if (BAIDU_LIKELY(w != NULL)) {
        const int rc = pthread_setspecific(_wrapper_key, w); // 首次讀，設置pthread local lock
        if (rc == 0) {
            w->BeginRead();
            ptr->_data = UnsafeRead();
            ptr->_w = w;
            return 0;
        }
    }
    return -1;
}

寫

template <typename T, typename TLS>
template <typename Fn>
size_t DoublyBufferedData<T, TLS>::Modify(Fn& fn) {
    BAIDU_SCOPED_LOCK(_modify_mutex); // 加鎖，保證隻有一個寫
    int bg_index = !_index.load(butil::memory_order_relaxed); // 指向後臺buffer
    const size_t ret = fn(_data[bg_index]); // 修改後臺buffer
    if (!ret) {
        return 0;
    }
    // 切指針
    _index.store(bg_index, butil::memory_order_release);    
    bg_index = !bg_index;
    // 等所有讀老前臺的線程讀結束
    {
        BAIDU_SCOPED_LOCK(_wrappers_mutex);
        for (size_t i = 0; i < _wrappers.size(); ++i) {
            _wrappers[i]->WaitReadDone();
        }
    }
    // 確認沒有讀瞭，直接修改新後臺數據，對其新前臺
    const size_t ret2 = fn(_data[bg_index]);
    return ret2;
}

完整實現請參考brpc的DoublyBufferData

簡單說說golang中雙緩沖的實現

普通的雙緩沖加載實現

基於計數器，用atomic，保證原子性，讀進入臨界區，計數器+1，退出-1，寫判斷計數器為0則切換，但計數器是全局鎖。這種方案C++也可以采取，隻是計數器畢竟也是全局鎖，性能會差那麼一丟丟。即使用智能指針shared_ptr，也會面臨智能指針引用計數互斥的問題。之所以用計數器，而不用TLS，是因為go不支持TLS，對比TLS版本和計數器版本，TLS性能更優，因為沒有搶計數器的互斥問題，但搶計數器本身很快，性能沒測試過，可以試試。

sync.Map的實現

也是基於計數器，隻是計數器是為瞭讓讀前臺緩存失效的概率不要太高，有抑制和收斂的作用，實現瞭讀的無鎖，少部分情況下，前臺緩存讀不到數據的時候，會去讀後臺緩存，這時候也要加鎖，同時計數器+1。計數器數值達到一定程度（超過後臺緩存的元素個數），就執行切換

是否適用於讀少寫多的場景

不合適，雙緩沖優先保證讀的性能，寫多讀少的場景需要優先保證寫的性能。

相關文獻

brpc對於雙buffer的描述：https://www.bookstack.cn/read/incubator-brpc/3c7745da34a1418b.md#DoublyBufferedData
go實現的雙buffer（但讀是互斥的，性能先對較差）：http://blog.codeg.cn/2016/01/27/double-buffering/
雙buffer的三種實現方案：https://juejin.cn/post/6844904130989801479
一寫多讀：https://blog.csdn.net/lqt641/article/details/55058137
高並發下的系統設計：https://www.cnblogs.com/flame540/p/12817529.html
基於計數器的實現：https://www.cnblogs.com/gaoxingnjiagoutansuo/p/15773361.html#4998436

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