Three Locks To Rule Them All（三把锁统治一切）
Three Locks To Rule Them All（三把锁统治一切）
【英文原文】
为了确保线程安全，特别是在服务器端，我们通常使用临界区（critical sections）或锁（locks）来保护代码。在最近的Delphi版本中，我们引入了TMonitor特性，但我更倾向于信任操作系统提供的锁机制，这些锁是通过Windows临界区或POSIX futex/mutex来实现的。
但需要注意的是，并非所有的锁在性能和使用上都是相同的。在大多数情况下，我们其实并不需要Windows API的临界区或pthread库所带来的额外开销。
因此，在mORMot 2中，除了这些操作系统提供的锁之外，我们还引入了多种原生锁。这些原生锁除了具备基本的锁定功能外，还拥有多读/单写能力或重入（re-entrancy）能力。
线程安全——一条艰难的路
对于常规的RAD（快速应用开发）/客户端应用程序而言，通常单个线程就足以满足需求。通过使用消息和/或TTimer，我们可以在应用程序中实现一些简单的协作式多任务处理，这对于大多数用途而言已经足够了。
然而，在服务器端，为了提升可扩展性，业务代码必须是线程安全的。根据我的实验经验，实现线程安全比实现并行计算要困难得多。
需要注意的是，多线程编程并不容易，有时甚至非常难以调试。因为问题往往难以重现——很容易遇到难以捉摸、难以重现的bug（有时被称为海森堡bug，即HeisenBug）。
因此，在开始多线程编程之前，请确保你已经阅读并理解了关于线程安全以及现代CPU内存和操作执行的一些基本知识。我最近发现了一系列博客文章，其中详细介绍了在极端情况下可能出现的一些陷阱……这些陷阱也同样可能会发生在你的编程过程中，就像我曾经遇到过的那样！
锁带来的保障
为了确保线程安全，我们所拥有的最便捷的特性就是锁。锁可以保护某些代码段，使其免受多个线程的并发执行影响。
更准确地说，我们实际上保护的是资源而非代码本身。代码本身是线程安全的，但当多个线程同时访问数据时，数据就需要额外的关注。如果我们只是读取数据，那通常不会有问题。但是，一旦有一个线程修改了数据，其他线程就很可能会受到影响——比如，你向一个列表中添加了一个项目，然后该列表在内存中的存储位置被重新分配了，那么由于指针失效，你可能会遇到一些随机的内存保护错误（如GPF）。又或者两个线程同时向列表中添加项目，那么计数器或存储空间可能会出现错误。为了避免这类问题，我们需要锁定对数据的访问。
以下是POSIX的libpthread库提供锁的方式——这种方式与Windows的临界区类似：
#include <pthread.h>
pthread_mutex_t mutex;
int main() {
pthread_mutex_init(&mutex, NULL); // 初始化互斥锁
// ... 在需要保护的代码段前后加锁和解锁 ...
pthread_mutex_lock(&mutex); // 加锁
// 临界区：只有获得锁的线程才能执行这里的代码
// ... 执行线程不安全的操作 ...
pthread_mutex_unlock(&mutex); // 解锁
// ...
pthread_mutex_destroy(&mutex); // 销毁互斥锁
return 0;
}
在上面的代码中，pthread_mutex_lock函数用于在临界区前加锁，而pthread_mutex_unlock函数则用于在临界区后解锁。所有在这两个函数调用之间的内存操作都被安全地保护起来，防止了任何不希望的内存重排序跨越这个边界。你可以将你的线程不安全代码放在这个“三明治”的中间，这样就确保了每次只有一个线程能够执行它。
锁不贵，竞争才贵
使用锁的主要规则是，锁的范围应该尽可能小。
为什么？
获取一个未锁定的互斥锁，或释放一个互斥锁几乎是免费的，它通常是一条原子汇编指令。在Intel/AMD上，原子指令具有锁前缀，或者明确指定为这样，例如cmpxchg操作。在ARM上，你通常需要编写一个小循环，或者至少需要几个指令。
在mormot.core.base.pas中，我们提供了一些跨平台和跨编译器的原子处理函数，这些函数是用优化的汇编语言编写的，或者调用了RTL（运行时库）：
procedure LockedInc32(int32: PInteger);
procedure LockedDec32(int32: PInteger);
procedure LockedInc64(int64: PInt64);
function InterlockedIncrement(var I: integer): integer;
function InterlockedDecrement(var I: integer): integer;
function RefCntDecFree(var refcnt: TRefCnt): boolean;
function LockedExc(var Target: PtrUInt; NewValue, Comperand: PtrUInt): boolean;
procedure LockedAdd(var Target: PtrUInt; Increment: PtrUInt);
procedure LockedAdd32(var Target: cardinal; Increment: cardinal);
procedure LockedDec(var Target: PtrUInt; Decrement: PtrUInt);
但是，如果两个（或更多）线程争夺一个锁，那么只有一个线程会获得它。因此，其他线程将不得不等待。等待通常首先是通过旋转（即运行一个空循环）来完成的，并尝试获取锁。最终，可能会发生一个操作系统内核调用，以利用CPU核心，并尝试执行来自另一个线程的挂起代码。
这种锁竞争、旋转或切换到另一个线程才是真正降低整个进程性能的原因。你只是在浪费时间和能源来访问共享资源。
因此，在实践中，我建议遵循一些简单的规则。
先让它工作，再让它快速运行
你可能首先会使用一个巨大的临界区来保护整个方法。大多数情况下，这都没问题。
不要猜测，在多核CPU上运行实际的基准测试（不是在单核虚拟机上！），尝试重现可能发生的最坏情况。
拥有详细且线程感知的日志，以便正确调试生产代码——海森堡bug很可能不会出现在你的开发电脑上，而是会在实际负载中出现。
一旦你确定了真正的瓶颈，尝试将逻辑代码拆分成小块：
- 确保你有针对此方法的多线程回归测试代码，以验证你的修改实际上仍然是正确的，并且...更快；
- 代码的部分内容可能本身就是线程安全的（例如错误检查或结果日志记录）：无需使用锁来保护它；
- 根据共享的资源，将处理代码隔离到一些私有/受保护的方法中，并进行适当的锁定。
越少越好
最终，为了实现最佳性能：
- 让你的锁尽可能短。
- 更喜欢对小数据使用多个锁，而不是一些巨大的锁；
- 对每个列表或队列使用一个锁，而不是对每个进程或业务逻辑方法使用一个锁。
多种锁以统治全局
除了TSynLock包装器外，mormot.core.os.pas还定义了以下几种锁：
一个轻量级的、非重入的排他锁，存储在PtrUInt值中。
- 在旋转一段时间后会调用SwitchToThread，但不使用任何读/写操作系统API。
- 警告：这些方法是非重入的，即在未解锁的情况下连续两次调用Lock会导致死锁。对于需要重入的方法，请使用TRWLock或TSynLocker/TRTLCriticalSection。
- 轻量级锁预计将只持有非常短的时间：如果锁可能会阻塞太长时间，请使用TSynLocker或TRTLCriticalSection。
- 使用多个轻量级锁，每个锁保护几个变量（例如一个列表），可能比使用更全局的TRTLCriticalSection/TRWLock更有效。
- 在32位CPU上仅占用4个字节，在64位CPU上占用8个字节。
TLightLock = record
procedure Lock;
function TryLock: boolean;
procedure UnLock;
end;
一个轻量级的、支持多个读取/排他写入的、非可升级的锁。
- 在旋转一段时间后会调用SwitchToThread，但不使用任何读/写操作系统API。
- 警告：ReadLocks是重入的并允许并发访问，但在一个ReadLock内或另一个WriteLock内调用WriteLock会导致死锁。
- 如果您需要一个可升级的锁，请考虑使用TRWLock。
- 轻量级锁预计将只持有非常短的时间：如果锁可能会阻塞太长时间，请使用TSynLocker或TRTLCriticalSection。
- 使用多个轻量级锁，每个锁保护几个变量（例如一个列表），可能比使用更全局的TRTLCriticalSection/TRWLock更有效。
- 在32位CPU上仅占用4个字节，在64位CPU上占用8个字节。
TRWLightLock = record
procedure ReadLock;
function TryReadLock: boolean;
procedure ReadUnLock;
procedure WriteLock;
function TryWriteLock: boolean;
procedure WriteUnLock;
end;
type
TRWLockContext = (cReadOnly, cReadWrite, cWrite);
一个轻量级的、支持多个读取/排他写入的、重入的锁。
- 在旋转一段时间后会调用SwitchToThread，但不使用任何读/写操作系统API。
- 锁预计将只持有非常短的时间：如果锁可能会阻塞太长时间，请使用TSynLocker或TRTLCriticalSection。
- 警告：所有方法都是重入的，但如果在ReadOnlyLock之后调用WriteLock/ReadWriteLock，则会导致死锁。
TRWLock = record
procedure ReadOnlyLock;
procedure ReadOnlyUnLock;
procedure ReadWriteLock;
procedure ReadWriteUnLock;
procedure WriteLock;
procedure WriteUnlock;
procedure Lock(context: TRWLockContext {$ifndef PUREMORMOT2} = cWrite {$endif});
procedure UnLock(context: TRWLockContext {$ifndef PUREMORMOT2} = cWrite {$endif});
end;
TLightLock是最简单的锁。
它会获取一个锁，然后在争用时进行旋转或休眠。但请注意，它是非重入的：如果你从同一个线程连续两次调用Lock，第二次Lock将会永远等待。因此，你必须确保你的代码在处理过程中不会调用其他可能也会调用Lock的方法，否则你的线程将会“死锁”。这种竞态条件相对容易识别：无论处于什么条件，它总是会阻塞并导致死锁。为了解决这个问题，不要调用运行Lock的其他方法：例如，你可以定义一些私有/受保护的LockedDoSomething方法，这些方法不需要任何锁，但期望在锁内被调用。
TRWLightLock和TRWLock是支持多个读取/排他写入的锁。
这是常规临界区缺少的一个功能。你的共享资源很有可能会被频繁读取，而很少被修改。由于读取操作在设计上是线程安全的，因此没有必要阻止其他读取线程读取资源。只有写入/更新数据时才应该是排他的，并防止其他线程访问。这就是ReadLock/ReadOnlyLock和WriteLock的用途。
TRWLock更进一步，允许使用ReadWriteLock而不是ReadOnlyLock将读锁升级为写锁。ReadWriteLock后面可以跟WriteLock，而ReadOnlyLock后面应该总是跟ReadOnlyUnlock，但绝对不能跟WriteLock，否则会导致死锁。
最后但同样重要的是，ReadOnlyLock/ReadOnlyUnLock是重入的（你可以嵌套调用它们），因为它们是通过计数器实现的。而TRWLock.WriteLock是重入的，因为它会跟踪锁定的线程ID，从而检测到嵌套调用，就像TRtlCriticalSection所做的那样。
底层细节
只是为了好玩，看看源代码：
procedure TLightLock.LockSpin;
var
spin: PtrUInt;
begin
spin := SPIN_COUNT;
repeat
spin := DoSpin(spin);
until LockedExc(Flags, 1, 0);
end;
procedure TLightLock.Lock;
begin
// 我们尝试了一个专用的asm，但它更慢：内联是首选
if not LockedExc(Flags, 1, 0) then
LockSpin;
end;
function TLightLock.TryLock: boolean;
begin
result := LockedExc(Flags, 1, 0);
end;
procedure TLightLock.UnLock;
begin
Flags := 0; // 非重入锁不需要额外的线程安全性
end;
TLightLock相当直接，使用了简单的CAS（比较并交换）LockedExc()原子函数，但TRWLightLock和TRWLock稍微复杂一些。
在mORMot 2代码库中，我们尝试使用尽可能好的锁。当锁可能在一段时间内（超过微秒）存在争用时，我们使用TRtlCriticalSection/TSynLock，而其他锁（如果可能的话，使用多个读取/排他写入方法）则用于保护非常小的调优代码。
当然，线程安全性在回归测试期间进行了测试，有数十个并发线程试图打破锁的逻辑。我可以告诉你，我们在TAsyncServer的初始代码中发现了一些棘手的问题，但经过几天的调试和日志记录，它现在听起来很稳定——但这是另一篇文章要讨论的问题了！😃