无锁队列有关问题【1】

无锁队列有关问题【一】

实现无锁队列的关键点有二：

1、各个平台的原子操作或者说CAS原语；

2、ABA问题的理解和解决。

首先来说说这个CAS原语，所谓CAS（Compare And Swap）即比较并交换，在 Intel 处理器中，比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。CAS有三个操作数： 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置V的值与预期A原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。”CAS的C语言实现如下：

inline bool CAS2(pointer_t *addr, pointer_t &old_value, pointer_t &new_value)
{
bool ret;
__asm__ __volatile__(
"lock cmpxchg16b %1;\n"
"sete %0;\n"
:"=m"(ret),"+m" (*(volatile pointer_t *) (addr))

:"a" (old_value.ptr), "d" (old_value.tag), "b" (new_value.ptr), "c" (new_value.tag));
return ret;
}

这其中包括了内联汇编代码（这个可以去看看AT&T汇编语法），其中能够支持多线程的并行安全执行的秘诀就在 "lock cmpxchg16b %1;\n"这句中的“lock”，这个lock就和我们基本多线程编程中的锁相当，只不过，这个lock不再是普通的锁，它锁的是地址总线，在多核编程情景下，当已经有CPU的线程A已经访问某地址时，这时地址总线会被锁定，其他CPU核心的线程B无法再访问当前地址，直到A访问完毕之后，其他线程如B才可能访问该地址，这样就保证了线程A访问该地址的原子性操作。

下面是一些有关锁的实现方法：（代码来自Wikipedia的Compare And Swap词条）【内存位置V的值与预期A原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值B】意思就是说，看一看内存*reg里的值是不是oldval，如果是的话，则对其赋值newval。

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intcompare_and_swap (int* reg, intoldval,intnewval)

{

  intold_reg_val = *reg;

  if(old_reg_val == oldval)

     *reg = newval;

  returnold_reg_val;

}

这个操作可以变种为返回bool值的形式（返回 bool值的好处在于，可以调用者知道有没有更新成功）：

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boolcompare_and_swap (int*accum,int*dest,intnewval)

{

  if( *accum == *dest ) {

      *dest = newval;

      returntrue;

  }

  returnfalse;

}

与CAS相似的还有下面的原子操作：（这些东西大家自己看Wikipedia吧）

· Fetch And Add，一般用来对变量做 +1 的原子操作

· Test-and-set，写值到某个内存位置并传回其旧值。汇编指令BST

· Test and Test-and-set，用来低低Test-and-Set的资源争夺情况

注：在实际的C/C++程序中，CAS的各种实现版本如下：

1）GCC的CAS

GCC4.1+版本中支持CAS的原子操作（完整的原子操作可参看 GCC Atomic Builtins）

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bool__sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

type __sync_val_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)

2）Windows的CAS

在Windows下，你可以使用下面的Windows API来完成CAS：（完整的Windows原子操作可参看MSDN的InterLocked Functions）

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InterlockedCompareExchange ( __inoutLONGvolatile*Target,

                                __inLONGExchange,

                                __inLONGComperand);

3) C++11中的CAS

C++11中的STL中的atomic类的函数可以让你跨平台。（完整的C++11的原子操作可参看 Atomic Operation Library）

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template<classT >

boolatomic_compare_exchange_weak( std::atomic<T>* obj,

                                   T* expected, T desired );

template<classT >

boolatomic_compare_exchange_weak(volatilestd::atomic<T>* obj,

                                   T* expected, T desired );

再来讲讲这个ABA问题。在进行CAS操作时，因为在更改V值之前，CAS主要是通过访问V的值是否仍然和A相等，所以，在第一次读取V以及对V执行CAS操作之前，如果有其他线程将V的值先从A改为B，而另外的线程又将V的值从B改回了A，这样会使CAS算法混乱。显然，在这种情况下，CAS的操作会成功，这类的问题称为ABA问题。要解决这类问题，就是不再重用A，通常的做法是用标记或版本编号与进行CAS操作的每个值相关联，并原子的更新值和标记