lock-free

本文對lock-free進行介紹，主要介紹原子性操作，下一篇介紹內存訪問控制

什么是lock-free

無鎖數據結構

無鎖數據結構的實現主要基于兩個方面：原子性操作和內存訪問控制方法。下面先記錄原子性操作相關知識。

原子性操作

原子性操作可以簡單地分為讀寫（read and write）、原子性交換操作（read-modify-write，RMW）兩部分。原子操作可認為是一個不可分的操作；要么發生，要么沒發生，我們看不到任何執行的中間過程，不存在部分結果（partial effects），就像事務。

在現代處理器中，簡單的數據類型的對齊讀寫操作一般是原子的，而RMW更進一步的，允許進行更復雜的原子事務性操作。

下面以x86架構為例介紹其如何實現原子性操作，其通過三種機制保證原子性：(詳情可參考1、2)

一些基本的內存讀寫操作已由硬件保證了其原子性。如單字節讀寫，奔騰6和最新的處理器能自動保證單處理器對同一個緩存行里進行16/32/64位的操作是原子的。

通過對總線加鎖來保證。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個LOCK＃信號，當一個處理器在總線上輸出此信號時，其他處理器的請求將被阻塞住,那么該處理器可以獨占使用共享內存。

通過對緩存加鎖來保證。在同一時刻我們只需保證對某個內存地址的操作是原子性即可，但總線鎖定把CPU和內存之間通信鎖住了，這使得鎖定期間，其他處理器不能操作其他內存地址的數據，所以總線鎖定的開銷比較大，最近的處理器在某些場合下使用緩存鎖定代替總線鎖定來進行優化。

在不同平臺RMW操作有不同實現，如：

• _InterlockedIncrement?_InterlockedCompareExchange(Win32);
• OSAtomicAdd32(iOS);
• std::atomic<>::fetch_add``std::atomic<>::compare_exchange_strong?(c++11) .

在構建無鎖數據結構時需要用到RMW操作，其包括：compare-and-swap (CAS)、fetch-and-add (FAA)、test-and-set (TAS) 等等。其中最基本的是CAS,其他操作可通過CAS實現。

CAS

CAS偽代碼如下：

bool CAS( int * pAddr, int nExpected, int nNew ) atomically {if ( *pAddr == nExpected ) {*pAddr = nNew ;return true ;}elsereturn false ; }

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但在實際中往往會想要知道，失敗后，pAddr的當前值是多少，故可修改如下。

int CAS( int * pAddr, int nExpected, int nNew ) atomically {if ( *pAddr == nExpected ) {*pAddr = nNew ;return nExpected ;}elsereturn *pAddr }

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c++11中CAS為?
std::atomic::compare_exchange_weak,?
std::atomic::compare_exchange_strong.?
其如同用std::memcmp?原子地比較?*this?的對象表示和?expected?的對象表示，而若它們逐位相等，則以?desired?替換前者（進行讀修改寫操作）。否則，將?*this?中的實際值加載進?expected?（進行加載操作）。如同用?std::memcpy?進行復制。詳情可查看cppreference

ABA問題

ABA問題是所以基于CAS基本類型的無鎖容器的一個巨大災難.CAS算法實現的一個重要前提是需要取出內存中某時刻的數據，而在下一時刻比較并替換，那么就存在了一個時間差，這個時間差會內數據有可能變化。

考慮一個棧數據順序為 ABC,線程1pop，執行到取出A值，但還沒CAS，此時要替換成的數據為A->next即B線程2pop了A、B，然后push?A?
，順序變為AC，然后線程1繼續執行CAS，比較時棧頂仍為A比較成功，替換成B（已不在棧中），棧數據出錯。

其解決方法有：標簽指針（Tagged pointers）、險象指針（Hazard pointer）等。在其他文章介紹。

對于實現了load-linked、store-conditional (LL/SC) 這樣的操作對的處理器，其不會發生ABA問題。

其偽代碼如下：

word LL( word * pAddr ) { return *pAddr ; }bool SC( word * pAddr, word New ) {if ( data in pAddr has not been changed since the LL call) {*pAddr = New ; return true ;}else return false ; }

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LL/SC對以括號運算符的形式運行，Load-linked（LL） 運算僅僅返回 pAddr 地址的當前變量值。如果 pAddr 中的數據在讀取之后沒有變化，那么 Store-conditional（SC) ）操作會將LL讀取 pAddr 地址的數據存儲起來。這種變化之下，任何 pAddr 引用的緩存行修改都是明確無誤的。為了實現 LL/SC 對，程序員不得不更改緩存結構。簡而言之，每個緩存行必須含有額外的比特狀態值（status bit）。一旦LL執行讀運算，就會關聯此比特值。任何的緩存行一旦有寫入，此比特值就會被重置；在存儲之前，SC操作會檢查此比特值是否針對特定的緩存行。如果比特值為1，意味著緩存行沒有任何改變，pAddr 地址中的值會變更為新值，SC操作成功。否則本操作就會失敗，pAddr 地址中的值不會變更為新值。

CAS通過LL/SC對得以實現，具體如下：

bool CAS( word * pAddr, word nExpected, word nNew ) {if ( LL( pAddr ) == nExpected ) return SC( pAddr, nNew ) ; return false ; }

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但LL/SC由于偽共享（False sharing）也存在問題，簡單來說即是多個共享變量使用同一緩存行，只要有一個變量改變，即認為緩存行數據無效（SC失敗），詳情可參考4。

NOTE

C++11的原子標準并不保證其在所以平臺的實現都是lock-free的(std::atomic_flag 除外)，可通過std::atomic<>::is_lock_free確認。

All atomic types except for std::atomic_flag may be implemented using mutexes or other locking operations, rather than using the lock-free atomic CPU instructions. Atomic types are also allowed to be sometimes lock-free, e.g. if only aligned memory accesses are naturally atomic on a given architecture, misaligned objects of the same type have to use locks.

參考資料

多線程程序中操作的原子性

原子操作的實現原理

An Introduction to Lock-Free Programming

無鎖數據結構（基礎篇）：原子性、原子性原語

總結

以上是生活随笔為你收集整理的无锁数据结构一的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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