深入理解高并发技术dpdk无锁队列

造夢先森极客重生

前两周给大家直播分享，并发技术全景（从硬件，操作系统，虚拟机/标准库，编程语言等）

最后我上周还布置了一个作业，让大家动手加深一下技术的理解

今天给大家分享一篇，DPDK高性能无锁队列的实现，这才是真正实用，非常考验大家的工程能力的高级数据结构，很多人说算法和数据结构没有用，可能你只知道做算法题里面那些理想数据结构，不知道工作中的各种框架，虚拟机，标准库，操作系统为了高性能帮你做好了这一切。

一、dpdk的rte_ring简介

rte_ring的实质是FIFO的无锁环形队列，无锁队列的出队入队操作是rte_ring实现的关键。常用于多线程/多进程之间的通信。

ring的特点：

无锁出入队（除了cas(compare and swap)操作）
多消费/生产者同时出入队

使用方法：

1.创建一个ring对象。

2. 出入队
有不同的出入队方式（单、bulk、burst）都在rte_ring.h中。

例如：rte_ring_enqueue和rte_ring_dequeue

这种数据结构与链表队列相比：

优点如下：

更快：比较void *大小的数据，只需要执行单次Compare-And-Swap指令，而不需要执行2次Compare-And-Swap指令
比完全无锁队列简单
适用于批量入队/出队操作。因为指针存储在表中，多个对象出队并不会像链表队列那样产生大量的缓存未命中，此外，多个对象批量出队不会比单个对象出队开销大
CAS(Compare and Swap)是个原子操作

缺点如下：

大小固定
许多环在内存方面的成本比链表列表的成本更高。空环至少包含N个指针。

二、rte_ring结构体分析

无锁环形队列的结构体如下：

struct rte_ring {
    TAILQ_ENTRY(rte_ring) next;     char name[RTE_MEMZONE_NAMESIZE];      int flags;                         const struct rte_memzone *memzone;


struct prod {uint32_t watermark;        uint32_t sp_enqueue;       uint32_t size;             uint32_t mask;             
volatile uint32_t head;    volatile uint32_t tail;        } prod __rte_cache_aligned;  

struct cons {uint32_t sc_dequeue;       uint32_t size;             uint32_t mask;            
volatile uint32_t head;    volatile uint32_t tail;    #ifdef RTE_RING_SPLIT_PROD_CONS      } cons __rte_cache_aligned;  #else    } cons;  #endif
#ifdef RTE_LIBRTE_RING_DEBUG  struct rte_ring_debug_stats stats[RTE_MAX_LCORE];#endif
void *ring[] __rte_cache_aligned;     };

dpdk在rte_ring_list链表中创建一个rte_tailq_entry节点，在memzone中根据队列的大小count申请一块内存(rte_ring的大小加上count*sizeof(void *))。紧邻着rte_ring结构的void *数组用于放置入队的对象（单纯的赋值指针值）。rte_ring结构中有生产者结构prod、消费者结构cons，初始化参数之后，把rte_tailq_entry的data节点指向rte_ring结构地址。

可以注意到cons.head、cons.tail、prod.head、prod.tail的类型都是uint32_t。除此之外，队列的大小count被限制为2的幂次方。这两个条件放到一起构成了一个很巧妙的情景。因为队列的大小一般不会有2的32次方那么大，所以，把队列取为32位的一个窗口，当窗口的大小是2的幂次方，则32位包含整数个窗口。这样，用来存放ring对象的void *指针数组空间就可只申请一个窗口大小即可。根据二进制的回环性，可以直接用(uint32_t)( prod_tail - cons_tail)计算队列中有多少生产的产品（即使溢出了也不会出错，如（uint32_t）5-65535 = 6）。

三、rte_ring实现多进程间通信

rte_ring需要与rte_mempool配合使用，通过rte_mempool来共享内存。dpdk多进程示例解读（examples/multi_process/simple_mp），实现进程之间的master和slave线程互发字串：

intmain(int argc, char **argv){const unsigned flags = 0;const unsigned ring_size = 64;const unsigned pool_size = 1024;const unsigned pool_cache = 32;const unsigned priv_data_sz = 0;
int ret;unsigned lcore_id;
        ret = rte_eal_init(argc, argv);if (ret < 0)                rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot init EAL\n");

if (rte_eal_process_type() == RTE_PROC_PRIMARY){                send_ring = rte_ring_create(_PRI_2_SEC, ring_size, rte_socket_id(), flags);                recv_ring = rte_ring_create(_SEC_2_PRI, ring_size, rte_socket_id(), flags);                message_pool = rte_mempool_create(_MSG_POOL, pool_size,                                STR_TOKEN_SIZE, pool_cache, priv_data_sz,NULL, NULL, NULL, NULL,                                rte_socket_id(), flags);

        } else {                recv_ring = rte_ring_lookup(_PRI_2_SEC);                send_ring = rte_ring_lookup(_SEC_2_PRI);                message_pool = rte_mempool_lookup(_MSG_POOL);        }if (send_ring == NULL)                rte_exit(EXIT_FAILURE, "Problem getting sending ring\n");if (recv_ring == NULL)                rte_exit(EXIT_FAILURE, "Problem getting receiving ring\n");if (message_pool == NULL)                rte_exit(EXIT_FAILURE, "Problem getting message pool\n");
        RTE_LOG(INFO, APP, "Finished Process Init.\n");

        RTE_LCORE_FOREACH_SLAVE(lcore_id) {                rte_eal_remote_launch(lcore_recv, NULL, lcore_id);        }

struct cmdline *cl = cmdline_stdin_new(simple_mp_ctx, "\nsimple_mp > ");if (cl == NULL)                rte_exit(EXIT_FAILURE, "Cannot create cmdline instance\n");        cmdline_interact(cl);        cmdline_stdin_exit(cl);
        rte_eal_mp_wait_lcore();return 0;}

使用时，rte_mempool_get从mempool中获取一个对象，然后使用rte_ring_enqueue入队列，另一个进程通过rte_ring_dequeue来出队列，使用完成后需要rte_mempool_put将对象放回mempool：

send:


static void cmd_send_parsed(void *parsed_result,                __attribute__((unused)) struct cmdline *cl,                __attribute__((unused)) void *data){void *msg = NULL;struct cmd_send_result *res = parsed_result;
if (rte_mempool_get(message_pool, &msg) < 0)                rte_panic("Failed to get message buffer\n");        strlcpy((char *)msg, res->message, STR_TOKEN_SIZE);if (rte_ring_enqueue(send_ring, msg) < 0) {printf("Failed to send message - message discarded\n");                rte_mempool_put(message_pool, msg);        }}

receive:

static intlcore_recv(__attribute__((unused)) void *arg){unsigned lcore_id = rte_lcore_id();
printf("Starting core %u\n", lcore_id);while (!quit){void *msg;if (rte_ring_dequeue(recv_ring, &msg) < 0){                        usleep(5);continue;                }printf("core %u: Received '%s'\n", lcore_id, (char *)msg);                rte_mempool_put(message_pool, msg);        }
return 0;}

四、实现多生产/消费者同时生产/消费（同时出入队）

移动prod.head表示生产者预定的生产数量
当该生产者生产结束，且在此之前的生产也都结束后，移动prod.tail表示实际生产的位置
同样，移动cons.head表示消费者预定的消费数量
当该消费者消费结束，且在此之前的消费也都结束后，移动cons.tail表示实际消费的位置

1、多生产者入队流程：

/** * @internal Enqueue several objects on the ring (multi-producers safe).  *  * This function uses a "compare and set" instruction to move the  * producer index atomically.  *  * @param r  *   A pointer to the ring structure.  * @param obj_table  *   A pointer to a table of void * pointers (objects).  * @param n  *   The number of objects to add in the ring from the obj_table.  * @param behavior  *   RTE_RING_QUEUE_FIXED:    Enqueue a fixed number of items from a ring  *   RTE_RING_QUEUE_VARIABLE: Enqueue as many items a possible from ring  * @return  *   Depend on the behavior value  *   if behavior = RTE_RING_QUEUE_FIXED  *   - 0: Success; objects enqueue.  *   - -EDQUOT: Quota exceeded. The objects have been enqueued, but the  *     high water mark is exceeded.  *   - -ENOBUFS: Not enough room in the ring to enqueue, no object is enqueued.  *   if behavior = RTE_RING_QUEUE_VARIABLE  *   - n: Actual number of objects enqueued.  */static inline int __attribute__((always_inline))  __rte_ring_mp_do_enqueue(struct rte_ring *r, void * const *obj_table,  unsigned n, enum rte_ring_queue_behavior behavior)  {  uint32_t prod_head, prod_next;  uint32_t cons_tail, free_entries;  const unsigned max = n;  int success;  unsigned i, rep = 0;  uint32_t mask = r->prod.mask;  int ret;  
/* Avoid the unnecessary cmpset operation below, which is also      * potentially harmful when n equals 0. */if (n == 0)  return 0;  
/* move prod.head atomically */do {  /* Reset n to the initial burst count */        n = max;  
/* 1. 抢占移动prod.head */        prod_head = r->prod.head;          cons_tail = r->cons.tail;  
/* The subtraction is done between two unsigned 32bits value          * (the result is always modulo 32 bits even if we have          * prod_head > cons_tail). So 'free_entries' is always between 0          * and size(ring)-1. *//* 2.检查free空间是否足够 */        free_entries = (mask + cons_tail - prod_head);  
/* check that we have enough room in ring */if (unlikely(n > free_entries)) {  if (behavior == RTE_RING_QUEUE_FIXED) {                  __RING_STAT_ADD(r, enq_fail, n);  return -ENOBUFS;              }  else {  /* No free entry available */if (unlikely(free_entries == 0)) {                      __RING_STAT_ADD(r, enq_fail, n);  return 0;                  }  
                n = free_entries;              }          }  /* 3.利用cas操作，移动r->prod.head，预约生产*/        prod_next = prod_head + n;          success = rte_atomic32_cmpset(&r->prod.head, prod_head,                            prod_next);      } while (unlikely(success == 0));  
/* write entries in ring */    ENQUEUE_PTRS();      rte_smp_wmb();  
/* if we exceed the watermark *//*4.检查是否到了阈值，并添加到统计中*/if (unlikely(((mask + 1) - free_entries + n) > r->prod.watermark)) {          ret = (behavior == RTE_RING_QUEUE_FIXED) ? -EDQUOT :                  (int)(n | RTE_RING_QUOT_EXCEED);          __RING_STAT_ADD(r, enq_quota, n);      }  else {          ret = (behavior == RTE_RING_QUEUE_FIXED) ? 0 : n;          __RING_STAT_ADD(r, enq_success, n);      }  
/*      * If there are other enqueues in progress that preceded us,      * we need to wait for them to complete      *//*5.等待之前的入队操作完成，移动实际位置*/while (unlikely(r->prod.tail != prod_head)) {          rte_pause();  
/* Set RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT to avoid spin too long waiting          * for other thread finish. It gives pre-empted thread a chance          * to proceed and finish with ring dequeue operation. */if (RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT &&              ++rep == RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT) {              rep = 0;              sched_yield();          }      }      r->prod.tail = prod_next;  return ret;  }

下面介绍当两个生产者同时添加对象到ring时发生了什么。

1）在初始状态， prod_head 和 prod_tail指向相同的位置：

在两个生产者core中（这个core可以理解成同时运行的线程或进程），各自的局部变量都保存ring->prod_head 和 ring->cons_tail。各自的局部变量prod_next索引指向ring->prod_head的下一个元素，如果是批量入队，指向下几个元素。假如ring里没有足够的空间（检查cons_tail获知），入队函数将返回error：

prod_head = r->prod.head;  cons_tail = r->cons.tail;  ...free_entries = (mask + cons_tail - prod_head);  ...prod_next = prod_head + n;

2）第二步是修改ring结构体里的ring->prod_head 索引，将它指向上面提到的局部变量prod_next指向的位置：

这个操作是通过使用 Compare And Swap (CAS)执行完成的，rte_atomic32_cmpset()所做的就是CAS(compare and set)操作，是无锁队列实现的关键。Compare And Swap (CAS)包含以下原子操作：

如果ring->prod_head索引和局部变量prod_head索引不相等，CAS操作失败，代码将从新从第一步开始执行。
若相等，将ring->prod_head索引指向局部变量prod_next的位置，CAS操作成功，继续下一步处理。

在上图中，生产者core1执行成功后，生产者core2重新运行后成功。

do {   ...   prod_head = r->prod.head;       cons_tail = r->cons.tail;     ...   success = rte_atomic32_cmpset(&r->prod.head, prod_head, prod_next);    ...   } while (unlikely(success == 0));

3）生产者core2中CAS指令重试成功

生产者core1更新对象obj4到ring中，生产者core2更新对象obj5到ring中（CAS指令重试后执行成功的）。

/* write entries in ring */    ENQUEUE_PTRS();      rte_smp_wmb();//内存屏障，防止乱序

4）现在每个生产者core都想更新 ring->prod_tail索引。生产者core代码中，只有ring->prod_tail等于自己局部变量prod_head才能被更新，显然从上图中可知，只有生产者core1才能满足，生产者core1完成了入队操作。

一旦生产者core1更新了ring->prod_tail后，生产者core2也可以更新ring->prod_tail了。生产者core2也完成了入队操作

(4)(5)两步对应代码：

/*      * If there are other enqueues in progress that preceded us,      * we need to wait for them to complete      */while (unlikely(r->prod.tail != prod_head)) {          rte_pause();  
/* Set RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT to avoid spin too long waiting           * for other thread finish. It gives pre-empted thread a chance           * to proceed and finish with ring dequeue operation. */if (RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT &&              ++rep == RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT) {              rep = 0;              sched_yield();          }      }      r->prod.tail = prod_next;

多消费者出队流程：

static inline int __attribute__((always_inline))  __rte_ring_mc_do_dequeue(struct rte_ring *r, void **obj_table,  unsigned n, enum rte_ring_queue_behavior behavior)  {  uint32_t cons_head, prod_tail;  uint32_t cons_next, entries;  const unsigned max = n;  int success;  unsigned i, rep = 0;  uint32_t mask = r->prod.mask;  
/* Avoid the unnecessary cmpset operation below, which is also       * potentially harmful when n equals 0. */if (n == 0)  return 0;  
/* move cons.head atomically       cgm      1.检查可消费空间是否足够      2.cms消费预约*/do {  /* Restore n as it may change every loop */        n = max;  
        cons_head = r->cons.head;          prod_tail = r->prod.tail;  /* The subtraction is done between two unsigned 32bits value           * (the result is always modulo 32 bits even if we have           * cons_head > prod_tail). So 'entries' is always between 0           * and size(ring)-1. */        entries = (prod_tail - cons_head);  
/* Set the actual entries for dequeue */if (n > entries) {  if (behavior == RTE_RING_QUEUE_FIXED) {                  __RING_STAT_ADD(r, deq_fail, n);  return -ENOENT;              }  else {  if (unlikely(entries == 0)){                      __RING_STAT_ADD(r, deq_fail, n);  return 0;                  }  
                n = entries;              }          }  
        cons_next = cons_head + n;          success = rte_atomic32_cmpset(&r->cons.head, cons_head,                            cons_next);      } while (unlikely(success == 0));  
/* copy in table */    DEQUEUE_PTRS();      rte_smp_rmb();  
/*       * If there are other dequeues in progress that preceded us,       * we need to wait for them to complete       cgm 等待之前的出队操作完成       */while (unlikely(r->cons.tail != cons_head)) {          rte_pause();  
/* Set RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT to avoid spin too long waiting           * for other thread finish. It gives pre-empted thread a chance           * to proceed and finish with ring dequeue operation. */if (RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT &&              ++rep == RTE_RING_PAUSE_REP_COUNT) {              rep = 0;              sched_yield();          }      }      __RING_STAT_ADD(r, deq_success, n);      r->cons.tail = cons_next;  
return behavior == RTE_RING_QUEUE_FIXED ? 0 : n;  }

同生产者一个道理，代码中加了点注释，可以再看一下上面的代码。

参考：

https://blog.csdn.net/qq_15437629/article/details/78147874

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