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算法描述
Lock-free 算法的基础是 CAS (Compareand-Swap) 原子操作。当某个地址的原始值等于某个比较值时,把值改成新值,无论有否修改,返回这个地址的原始值。目前的cpu 支持最多64位的CAS。并且指针 p 必须对齐。
注:原子操作指一个cpu时钟周期内就可以完成的操作,不会被其他线程干扰。
一般的 CAS 使用方式是:
假设有指针 p, 它指向一个 32 位或者64位数,
复制p 的内容(*p)到比较量 cmp (原子操作)
基于这个比较量计算一个新值 xchg (非原子操作)
调用 CAS 比较当前 *p 和 cmp, 如果相等把 *p 替换成 xchg (原子操作)
如果成功退出,否则回到第一步重新进行
第3步的 CAS 操作保证了写入的同时 p 没有被其他线程更改。如果*p已经被其他线程更改,那么第2步计算新值所使用的值(cmp)已经过期了,因此这个整个过程失败,重新来过。多线程环境下,由于 3 是一个原子操作,那么起码有一个线程(最快执行到3)的CAS 操作可以成功,这样整体上看,就保证了所有的线程上在“前进”,而不需要使用效率低下的锁来协调线程,更不会导致死锁之类的麻烦。
ABA 问题
当 A 线程执行2的时候,被B 线程更改了 *p为x, 而 C 线程又把它改回了原始值,这时回到A 线程,A线程无法监测到原始值已经被更改过了,CAS 操作会成功(实际上应该失败)。ABA 大部分情况下会造成一些问题,因为 p 的内容一般不可能是独立的,其他内容已经更改,而A线程认为它没有更改就会带来不可预知的结果。
ABA 问题的解决一般是扩展 *p 的位数(比如从32扩展到64),使用多余的位来保存一个版本号,每次更改都修改版本号,从而保证这个线程能正确的监测到值的更改。
扩展
一个 32 位数无法携带太多信息,但是32位的C++ 环境中,这样的一个数已经可以代表很多东西了,比如——指针。
我们刚才保证了我们的线程可以安全读写一个 32 位的数,如果这个数是一个指针,指向了我们真实使用的对象。那么我们就可以创建了一个无锁而线程安全的对象。基本思想就是每次修改对象前,复制整个对象,然后更改完成以后用上面的算法使用新对象来替换旧对象(更改p的指向),当然,这个对象不能太大,否则lock-free的速度优势,就被复制操作消耗殆尽。
这里有个很大的问题,在于老的对象何时销毁。P 指向新的对象了,以后的操作都将会访问新的对象,但是老的对象还可能正被其他线程访问中。遗憾的是,我们还没有垃圾收集器,所以需要设计一个引用计数之类的策略来保护这个对象。
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