【聊聊原子性,中断,以及nodejs中的具体示例】

什么是原子性

从一个例子说起, x++ ,读和写 ,

如图假设多线程,线程1和线程2同时操作变量x,进行x++的操作,那么由于写的过程中,都会先读一份x数据到cpu的寄存器中,所以这个时候cpu1 和 cpu2 拿到了相同的变量x,假设初始x值为1,则cpu1拿到的x为1,cpu2拿到的x为1,都操作并写回给x后,x的值为2。

预期加两次,结果为3,但是实际由于多线程同时操作同一个变量了 ,可能产生写覆盖。进一步看,这其中还要再提起一个词,中断。

中断

多线程 - cpu中断

多线程下,常见一个或者多个操作在 CPU 执行时候,中断,切出再切回。

对于多线程来说,程序在运行一段代码的时候,可能会中途切出,这种来回切出和切回,就出现了上面x++的情况。产生了写覆盖的问题。

那么不用多线程,只用单线程,是不是就不会存在中断的问题,是不是就安全了,其实也不安全。因为线程下面还有协程(如python Coroutine),或如nodejs中 event loop,其虽然不会在cpu运算的时候切出,但是会在等待io的时候切出。

单线程 - io中断

单线程下,一个或者多个IO操作执行的过程中,中断,切出再切回。

一个单线程切出的例子,拿nodejs中event loop举例,worker1 和 worker2分别产生event,去累加result,但是在累加的过程中会await sleep 模拟等待io,这会导致由于等待io而引起的中断,切出。

非原子性示例

function sleep(ms: number) {return new Promise(resolve => setTimeout(resolve, ms));
}let result = 0;async function worker1() {let maxtime1 = 1;while(maxtime1 <= 100) {let name = 'worker1';// 执行100次)console.log(`${name} calculate current time ${maxtime1}`)// 开始工作let resultCopy = result;// 让出await sleep(10);resultCopy += 1;result = resultCopy;maxtime1 += 1;}
}async function worker2() {let maxtime2 = 1;while(maxtime2 <= 100) {let name = 'worker2';// 执行100次console.log(`${name} calculate current time ${maxtime2}`)// 开始工作let resultCopy = result;// 让出await sleep(10);resultCopy += 1;result = resultCopy;maxtime2 += 1;}
}(async () => {console.log('start calculate')const startTime = Date.now();Promise.all([worker1(), worker2()]).then(() => {const endTime = Date.now();// 预期是200 ,但是由于会写覆盖,所以最终小于200.console.log(`耗时: ${endTime - startTime}ms`);console.log('result:', result);}).catch((error) => {console.error('A worker failed with error:', error);});
})()

运行结果,通过结果 ,甚至输出结果直接就是100,因为worker1 和 worker2的并行执行,导致每次累加计算前,worker1 和 worker2 都拿到相同的值

那么如何避免这种情况,让worker1的代码片段执行完,再执行的worker2的代码片段,不切出,达到原子性,一种方法就是加锁,下面继续看如何加锁达到原子性,

原子性示例

通过加锁,可以实现代码片段的原子性 ,如下

import { Mutex } from 'async-mutex';
const mutex = new Mutex();function sleep(ms: number) {return new Promise(resolve => setTimeout(resolve, ms));
}let result = 0;async function worker1() {let maxtime1 = 1;// 执行100次while(maxtime1 <= 100) {let name = 'worker1';// 开始工作// 锁住,const release = await mutex.acquire();console.log(`${name} calculate current time ${maxtime1}, before start calulate result: ${result}`)// rlet resultCopy = result;// 让出cpu,这里即使让出,其它worker由于无法获取锁,所以会一直等待await sleep(10);resultCopy += 1;// w result = resultCopy;console.log(`${name} calculate current time ${maxtime1}, after calulate result: ${result}`)release();maxtime1 += 1;}
}async function worker2() {let maxtime2 = 1;// 执行100次while(maxtime2 <= 100) {let name = 'worker2';// 开始工作// 锁住,const release = await mutex.acquire();console.log(`${name} calculate current time ${maxtime2}, before start calulate result: ${result}`)// rlet resultCopy = result;// 让出cpuawait sleep(10);resultCopy += 1;// w result = resultCopy;console.log(`${name} calculate current time ${maxtime2}, after calulate result: ${result}`)release();maxtime2 += 1;}
}(async () => {console.log('start calculate')const startTime = Date.now();Promise.all([worker1(), worker2()]).then(() => {const endTime = Date.now();// 预期是200 ,但是由于会写覆盖,所以最终小于200.console.log(`耗时: ${endTime - startTime}ms`);console.log('result:', result);}).catch((error) => {console.error('A worker failed with error:', error);});
})()

此时,在看输出结果,可以发现由于有锁,worker1 和 worker2是串行累加的,不会在执行累加的过程中切出,所以最终累加的结果是200,符合预期。

同时可以发现,由于加锁,整体串行,会导致整体运行时间增加。这里就不得不多提下,Event Loop 是一种异步编程模型,io切出本身属于提高效率的设计,所以如果不是需要原子性,不是同时操作同一个变量,则没必要加锁降低效率。

结语

总结 ,对于编程中的原子性,如果说一段代码是原子性的,则这段代码无论是cpu 还是 io等待 都不能被切出。这段代码需要完整的执行,这才是我们预期的一段代码的原子性。

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