ล็อคหน่วยความจำคืออะไร?

ในอดีต โปรแกรมคอมพิวเตอร์ทั้งหมดเขียนขึ้นตามลำดับขั้น ง่ายต่อการอ่าน เขียน และทำความเข้าใจ นอกจากนี้ยังง่ายสำหรับคอมพิวเตอร์ในการดำเนินการและต้องใช้ฮาร์ดแวร์ที่ค่อนข้างง่าย ด้วยกระบวนทัศน์การออกแบบนี้ มีเพียงสองวิธีในการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบคือการเขียนโค้ดที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และเพิ่มความเร็วของ CPU การเพิ่มประสิทธิภาพโค้ดอาจทำได้ แต่โดยทั่วไปจะเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมักมีผลลัพธ์จำกัด

เป็นเวลาหลายทศวรรษที่ประสิทธิภาพอาจลดลงโดยการรอ CPU ใหม่ที่มีประสิทธิภาพมากกว่า ตามที่อธิบายไว้ในกฎของมัวร์ ซีพียูจะมีประสิทธิภาพเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าทุกๆ สองถึงสามปี น่าเสียดายที่ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นส่วนใหญ่มาจากการใช้โหนดการผลิตที่เล็กลง เทคโนโลยีสมัยใหม่ประสบปัญหาในการลดขนาดโหนดในอัตราในอดีต เนื่องจากปัญหาด้านวัสดุที่ทำงานในระดับนาโนเมตร

เพื่อหลีกเลี่ยงปัญหานี้ สถาปนิก CPU สมัยใหม่ได้เลือกที่จะเพิ่มแกนประมวลผลหลายแกนให้กับ CPU แกนประมวลผลแต่ละตัวสามารถทำงานแยกกันได้อย่างอิสระ แม้ว่าพวกเขาจะไม่สามารถรวมปัญหาเดียวกันได้ แต่ก็สามารถทำงานในสองประเด็นพร้อมกันได้ การเปลี่ยนแปลงทางสถาปัตยกรรมพื้นฐานนี้ให้ประสิทธิภาพที่พิเศษขึ้นมากมาย แต่จะไม่ส่งผลดีโดยตรงต่อแต่ละกระบวนการ แม้ว่าจะช่วยลดการแย่งชิงเวลาของตัวประมวลผล

ในการใช้ประโยชน์จากซีพียูแบบมัลติคอร์ โค้ดจะต้องเขียนแบบมัลติเธรด จากนั้นแต่ละเธรดสามารถทำงานพร้อมกันได้ โดยปรับขนาดผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพตามจำนวนของเธรดและแกน CPU ที่มีอยู่ แม้ว่าการทำเช่นนี้จะพบกับความท้าทายใหม่ นั่นคือ "สภาพการแข่งขัน"

หมายเหตุ:งานบางอย่างไม่สามารถเป็นแบบมัลติเธรดได้ ในขณะที่งานอื่นๆ สามารถเป็นแบบมัลติเธรดจำนวนมากได้ ผลประโยชน์ด้านประสิทธิภาพที่เป็นไปได้นั้นขึ้นอยู่กับงานที่ทำอยู่

เงื่อนไขการแข่งขัน

ซอฟต์แวร์แบบมัลติเธรดสามารถใช้ประโยชน์จากหลายคอร์ได้ อันตรายที่แฝงตัวอยู่ในน้ำเหล่านั้นพร้อมที่จะดักจับโปรแกรมเมอร์ที่ไม่มีประสบการณ์ สภาวะการแย่งชิงสามารถเกิดขึ้นได้เมื่อเธรดที่ต่างกันสองเธรดโต้ตอบกับหน่วยความจำบิตเดียวกัน

ตัวอย่างง่ายๆ อาจเป็นสองเธรดที่พยายามตรวจสอบและเพิ่มตัวแปรพร้อมกัน สมมุติว่าa=0 . จากนั้นเธรดที่แตกต่างกันสองเธรดจะทำหน้าที่ของมัน และในบางจุด ให้ตรวจสอบaและเพิ่มทีละเธรด โดยทั่วไป คุณคาดหวังผลลัพธ์ของสองเธรดที่บวกหนึ่งถึงศูนย์เป็นสอง ส่วนใหญ่แล้วควรเป็นกรณีนี้ คุณจะได้ผลลัพธ์ที่แตกต่างกันหากเธรดทั้งสองผ่านการทำงานเฉพาะนั้นในเวลาที่เหมาะสม

ในกรณี นี้เธรดแรกจะอ่านค่าของa ก่อนที่เธรดแรกจะเพิ่มค่าของแม้ว่าเธรดที่สองจะอ่านค่านั้น ตอนนี้เธรดแรกเพิ่มหนึ่งถึงศูนย์ แต่เธรดที่สองเชื่อว่าค่าเป็นศูนย์อยู่แล้ว เพิ่มหนึ่งถึงศูนย์ ผลลัพธ์ที่ได้คือค่าสุดท้ายของaคือ 1 ไม่ใช่ 2

แข่งกับสถานการณ์ที่แย่ที่สุด

แม้ว่าตัวอย่างข้างต้นอาจฟังดูไม่เลวร้ายนัก แต่ก็สามารถมีผลกระทบที่น่าทึ่งได้ จะเกิดอะไรขึ้นถ้าค่าของaเลือกโหมดการทำงานของเครื่องจักร? จะเป็นอย่างไรหากโหมดการทำงานเฉพาะของเครื่องนั้นอาจเป็นอันตรายหรือถึงแก่ชีวิตได้

เงื่อนไขการแข่งขันก็ไม่จำเป็นต้องเรียบง่ายขนาดนั้น ตัวอย่างเช่น เป็นไปได้ที่เธรดหนึ่งจะอ่านส่วนของหน่วยความจำในเวลาเดียวกับที่เธรดอื่นกำลังเขียนอยู่ ในกรณีนี้ เธรดการอ่านอ��จได้รับข้อมูลผสมแปลกๆ จากทั้งก่อนและหลัง สมมติว่าเช็คนั้นเป็นเช็คจริง/เท็จอย่างง่าย

หากตัวแปรบอกว่าเป็น true ในตอนเริ่มต้นการอ่าน แต่อยู่ในขั้นตอนของการเขียนทับคำว่า false ผลลัพธ์ของการดำเนินการอ่านอาจเป็น "trlse" นี่ไม่ใช่ "จริง" หรือ "เท็จ" การไม่มีตัวเลือกใดตัวเลือกหนึ่งจากตัวเลือกไบนารีจะส่งผลให้แอปพลิเคชันหยุดทำงาน ความเสียหายของหน่วยความจำนี้อาจนำไปสู่ปัญหาด้านความปลอดภัยมากมาย เช่น การปฏิเสธบริการและการเพิ่มระดับสิทธิ์

ปิดการแข่งขัน

การรู้ว่าหน่วยความจำส่วนใดในโปรแกรมที่ใช้ร่วมกันระหว่างเธรดต่างๆ เป็นสิ่งสำคัญในการป้องกันสภาวะการแย่งชิง ไม่จำเป็นต้องทำอะไรหากตัวแปรถูกควบคุมและเข้าถึงได้ด้วยเธรดเดียว หากเธรดสองเธรดขึ้นไปสามารถเข้าถึงตัวแปรได้ คุณต้องแน่ใจว่าการดำเนินการทั้งหมดบนชิ้นส่วนหน่วยความจำนั้นเสร็จสมบูรณ์โดยอิสระจากกัน

ความเป็นอิสระนี้เกิดขึ้นได้ด้วยการล็อค ในโค้ดของโปรแกรม คุณต้องล็อกเมื่อเขียนฟังก์ชันที่ทำงานบนหน่วยความจำที่ใช้ร่วมกัน การล็อกนี้จะบล็อกเธรดอื่นๆ ไม่ให้เข้าถึงหน่วยความจำส่วนนั้นจนกว่าจะปลดล็อก

ล็อคไม่ใช่วิธีแก้ปัญหาที่หรูหราที่สุด สิ่งหนึ่งคือมีหน่วยความจำเหนือศีรษะ นอกจากนี้ยังสามารถบังคับให้เธรดแขวนรอการคลายล็อค ขึ้นอยู่กับสถานการณ์ อาจไม่ปลดล็อคเป็นเวลานานมากหรืออาจไม่ปลดล็อคเลย ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด การปลดล็อกล็อกอาจขึ้นอยู่กับสิ่งที่เกิดขึ้นในเธรดอื่นที่ถูกบล็อก ซึ่งจะนำไปสู่การหยุดชะงัก

จำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ล็อค คุณสามารถควบคุมความละเอียดของล็อคได้ ตัวอย่างเช่น หากคุณกำลังแก้ไขข้อมูลในตาราง คุณสามารถล็อคทั้งตารางหรือล็อคเฉพาะแถวที่แก้ไข การล็อคทั้งตารางจะเป็นการล็อคแบบละเอียด มันลดค่าใช้จ่ายจากการล็อคมากเกินไป แต่เพิ่มโอกาสที่เธรดอื่นจะถูกล็อคโดยการล็อค การล็อคเฉพาะแถวจะเป็นการล็อคแบบละเอียด สิ่งนี้มีโอกาสน้อยมากที่จะรบกวนเธรดอื่น ๆ แต่หมายความว่าจะต้องมีการล็อคการฉีกขาดซึ่งจะเป็นการเพิ่มค่าใช้จ่ายทั้งหมด

บทสรุป

ล็อคหน่วยความจำเป็นเครื่องมือรหัสที่ใช้เพื่อให้แน่ใจว่าการดำเนินการในหน่วยความจำของอะตอมมิกในสภาพแวดล้อมแบบมัลติเธรด การล็อคชิ้นส่วนของหน่วยความจำก่อนใช้งาน คุณจะมั่นใจได้ว่าจะไม่มีพฤติกรรมที่ไม่คาดคิดเกิดขึ้นเนื่องจากสภาพการแข่งขัน การล็อคหน่วยความจำมาพร้อมกับโอเวอร์เฮดหน่วยความจำ แต่ก็สามารถทำให้เกิดการบล็อกได้เช่นกัน

การบล็อกคือการที่เธรดอื่นพยายามดำเนินการกับเพมอรีที่ถูกล็อค เธรดอยู่ที่นั่นถูกปิดกั้นจนกว่าล็อคจะถูกปลดล็อค สิ่งนี้อาจทำให้เกิดปัญหาหากการคลายล็อกต้องใช้เธรดอื่นเพื่อทำบางสิ่ง เนื่องจากเธรดอาจถูกบล็อกก่อนที่จะดำเนินการตามข้อกำหนดเบื้องต้นให้เสร็จสิ้นเพื่อคลายล็อกที่ปิดกั้น สามารถหลีกเลี่ยงการล็อคหน่วยความจำได้โดยการเขียนรหัสที่ไม่ปิดกั้น อย่างไรก็ตาม การทำเช่นนี้อาจซับซ้อนและมีประสิทธิภาพน้อยกว่าการใช้ล็อค อย่าลืมแสดงความคิดเห็นของคุณด้านล่าง