原子操作實作無鎖隊列

關于CAS等原子操作

在開始說無鎖隊列之前，我們需要知道一個很重要的技術就是CAS操作——Compare & Set，或是 Compare & Swap，現在幾乎所有的CPU指令都支援CAS的原子操作，X86下對應的是 CMPXCHG 彙編指令。有了這個原子操作，我們就可以用其來實作各種無鎖（lock free）的資料結構。

這個操作用C語言來描述就是下面這個樣子：（代碼來自Wikipedia的Compare And Swap詞條）意思就是說，看一看記憶體reg裡的值是不是oldval，如果是的話，則對其指派newval。

int compare_and_swap (int reg, int oldval, int newval)

{

int old_reg_val = *reg;

if (old_reg_val == oldval)

*reg = newval;

return old_reg_val;

}

這個操作可以變種為傳回bool值的形式（傳回 bool值的好處在于，可以調用者知道有沒有更新成功）：

bool compare_and_swap (int *accum, int *dest, int newval)

{

if ( *accum == *dest ) {

*dest = newval;

return true;

}

return false;

}

與CAS相似的還有下面的原子操作：（這些東西大家自己看Wikipedia吧）

Fetch And Add，一般用來對變量做 +1 的原子操作

Test-and-set，寫值到某個記憶體位置并傳回其舊值。彙編指令BST

Test and Test-and-set，用來低低Test-and-Set的資源争奪情況

注：在實際的C/C++程式中，CAS的各種實作版本如下：

1）GCC的CAS

GCC4.1+版本中支援CAS的原子操作（完整的原子操作可參看 GCC Atomic Builtins）

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來完成CAS：（完整的Windows原子操作可參看MSDN的InterLocked Functions）

InterlockedCompareExchange ( __inout LONG volatile *Target,

__in LONG Exchange,

__in LONG Comperand);

3) C++11中的CAS

C++11中的STL中的atomic類的函數可以讓你跨平台。（完整的C++11的原子操作可參看 Atomic Operation Library）

template< class T >

bool atomic_compare_exchange_weak( std::atomic* obj,

T* expected, T desired );

template< class T >

bool atomic_compare_exchange_weak( volatile std::atomic* obj,

T* expected, T desired );

無鎖隊列的連結清單實作

下面的東西主要來自John D. Valois 1994年10月在拉斯維加斯的并行和分布系統系統國際大會上的一篇論文——《Implementing Lock-Free Queues》。

我們先來看一下進隊列用CAS實作的方式：

EnQueue(x) //進隊列

{

//準備新加入的結點資料

q = new record();

q->value = x;

q->next = NULL;

do {
    p = tail; //取連結清單尾指針的快照
} while( CAS(p->next, NULL, q) != TRUE); //如果沒有把結點鍊在尾指針上，再試

CAS(tail, p, q); //置尾結點
           

}

我們可以看到，程式中的那個 do- while 的 Re-Try-Loop。就是說，很有可能我在準備在隊列尾加入結點時，别的線程已經加成功了，于是tail指針就變了，于是我的CAS傳回了false，于是程式再試，直到試成功為止。這個很像我們的搶電話熱線的不停重播的情況。

你會看到，為什麼我們的“置尾結點”的操作（第12行）不判斷是否成功，因為：

如果有一個線程T1，它的while中的CAS如果成功的話，那麼其它所有的 随後線程的CAS都會失敗，然後就會再循環，

此時，如果T1 線程還沒有更新tail指針，其它的線程繼續失敗，因為tail->next不是NULL了。

直到T1線程更新完tail指針，于是其它的線程中的某個線程就可以得到新的tail指針，繼續往下走了。

這裡有一個潛在的問題——如果T1線程在用CAS更新tail指針的之前，線程停掉或是挂掉了，那麼其它線程就進入死循環了。下面是改良版的EnQueue()

EnQueue(x) //進隊列改良版

{

q = new record();

q->value = x;

q->next = NULL;

p = tail;
oldp = p
do {
    while (p->next != NULL)
        p = p->next;
} while( CAS(p.next, NULL, q) != TRUE); //如果沒有把結點鍊在尾上，再試

CAS(tail, oldp, q); //置尾結點
           

}

我們讓每個線程，自己fetch 指針 p 到連結清單尾。但是這樣的fetch會很影響性能。而通實際情況看下來，99.9%的情況不會有線程停轉的情況，是以，更好的做法是，你可以接合上述的這兩個版本，如果retry的次數超了一個值的話（比如說3次），那麼，就自己fetch指針。

好了，我們解決了EnQueue，我們再來看看DeQueue的代碼：（很簡單，我就不解釋了）

DeQueue() //出隊列

{

do{

p = head;

if (p->next == NULL){

return ERR_EMPTY_QUEUE;

}

while( CAS(head, p, p->next) != TRUE );

return p->next->value;

}

我們可以看到，DeQueue的代碼操作的是 head->next，而不是head本身。這樣考慮是因為一個邊界條件，我們需要一個dummy的頭指針來解決連結清單中如果隻有一個元素，head和tail都指向同一個結點的問題，這樣EnQueue和DeQueue要互相排斥了。

注：上圖的tail正處于更新之前的裝态。

CAS的ABA問題

所謂ABA（見維基百科的ABA詞條），問題基本是這個樣子：

程序P1在共享變量中讀到值為A

P1被搶占了，程序P2執行

P2把共享變量裡的值從A改成了B，再改回到A，此時被P1搶占。

P1回來看到共享變量裡的值沒有被改變，于是繼續執行。

雖然P1以為變量值沒有改變，繼續執行了，但是這個會引發一些潛在的問題。ABA問題最容易發生在lock free 的算法中的，CAS首當其沖，因為CAS判斷的是指針的位址。如果這個位址被重用了呢，問題就很大了。（位址被重用是很經常發生的，一個記憶體配置設定後釋放了，再配置設定，很有可能還是原來的位址）

比如上述的DeQueue()函數，因為我們要讓head和tail分開，是以我們引入了一個dummy指針給head，當我們做CAS的之前，如果head的那塊記憶體被回收并被重用了，而重用的記憶體又被EnQueue()進來了，這會有很大的問題。（記憶體管理中重用記憶體基本上是一種很常見的行為）

這個例子你可能沒有看懂，維基百科上給了一個活生生的例子——

你拿着一個裝滿錢的手提箱在飛機場，此時過來了一個火辣性感的美女，然後她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的時候，把用一個一模一樣的手提箱和你那裝滿錢的箱子調了個包，然後就離開了，你看到你的手提箱還在那，于是就提着手提箱去趕飛機去了。

這就是ABA的問題。

解決ABA的問題

維基百科上給了一個解——使用double-CAS（雙保險的CAS），例如，在32位系統上，我們要檢查64位的内容

1）一次用CAS檢查雙倍長度的值，前半部是指針，後半部分是一個計數器。

2）隻有這兩個都一樣，才算通過檢查，要吧賦新的值。并把計數器累加1。

這樣一來，ABA發生時，雖然值一樣，但是計數器就不一樣（但是在32位的系統上，這個計數器會溢出回來又從1開始的，這還是會有ABA的問題）

當然，我們這個隊列的問題就是不想讓那個記憶體重用，這樣明确的業務問題比較好解決，論文《Implementing Lock-Free Queues》給出一這麼一個方法——使用結點記憶體引用計數refcnt！

SafeRead(q)

{

loop:

p = q->next;

if (p == NULL){

return p;

}

Fetch&Add(p->refcnt, 1);

    if (p == q->next){
        return p;
    }else{
        Release(p);
    }
goto loop;
           

}

其中的 Fetch&Add和Release分是是加引用計數和減引用計數，都是原子操作，這樣就可以阻止記憶體被回收了。

用數組實作無鎖隊列

本實作來自論文《Implementing Lock-Free Queues》

使用數組來實作隊列是很常見的方法，因為沒有記憶體的分部和釋放，一切都會變得簡單，實作的思路如下：

1）數組隊列應該是一個ring buffer形式的數組（環形數組）

2）數組的元素應該有三個可能的值：HEAD，TAIL，EMPTY（當然，還有實際的資料）

3）數組一開始全部初始化成EMPTY，有兩個相鄰的元素要初始化成HEAD和TAIL，這代表空隊列。

4）EnQueue操作。假設資料x要入隊列，定位TAIL的位置，使用double-CAS方法把(TAIL, EMPTY) 更新成 (x, TAIL)。需要注意，如果找不到(TAIL, EMPTY)，則說明隊列滿了。

5）DeQueue操作。定位HEAD的位置，把(HEAD, x)更新成(EMPTY, HEAD)，并把x傳回。同樣需要注意，如果x是TAIL，則說明隊列為空。

算法的一個關鍵是——如何定位HEAD或TAIL？

1）我們可以聲明兩個計數器，一個用來計數EnQueue的次數，一個用來計數DeQueue的次數。

2）這兩個電腦使用使用Fetch&ADD來進行原子累加，在EnQueue或DeQueue完成的時候累加就好了。

3）累加後求個模什麼的就可以知道TAIL和HEAD的位置了。

如下圖所示：

小結

以上基本上就是所有的無鎖隊列的技術細節，這些技術都可以用在其它的無鎖資料結構上。

1）無鎖隊列主要是通過CAS、FAA這些原子操作，和Retry-Loop實作。

2）對于Retry-Loop，我個人感覺其實和鎖什麼什麼兩樣。隻是這種“鎖”的粒度變小了，主要是“鎖”HEAD和TAIL這兩個關鍵資源。而不是整個資料結構。

還有一些和Lock Free的文章你可以去看看：

Code Project 上的雄文 《Yet another implementation of a lock-free circular array queue》

Herb Sutter的《Writing Lock-Free Code: A Corrected Queue》– 用C++11的std::atomic模闆。

IBM developerWorks的《設計不使用互斥鎖的并發資料結構》