原子操作实现无锁队列

Posted 2020-08-17 后台开发学习

关于CAS等原子操作

在开始说无锁队列之前，我们需要知道一个很重要的技术就是CAS操作——Compare & Set或是 Compare & Swap，现在几乎所有的CPU指令都支持CAS的原子操作，X86下对应的是 CMPXCHG 汇编指令。有了这个原子操作，我们就可以用其来实现各种无锁（lock free）的数据结构。

这个操作用C语言来描述就是下面这个样子：（代码来自Wikipedia的Compare And Swap词条）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。

1.  
   int compare_and_swap (int* reg, int oldval, int newval)
2.  
   {
3.  
     int old_reg_val = *reg;
4.  
     if (old_reg_val == oldval)
5.  
        *reg = newval;
6.  
     return old_reg_val;
7.  
   }

1.  
   bool compare_and_swap (int *accum, int *dest, int newval)
2.  
   {
3.  
     if ( *accum == *dest ) {
4.  
         *dest = newval;
5.  
         return true;
6.  
     }
7.  
     return false;
8.  
   }

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）：

CAS的语义是“我认为V的值应该为A，如果是，那么将V的值更新为B，否则不修改并告诉V的值实际为多少”，CAS是项乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

另一种表述：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值（期望操作前的值）和一个新值，在操作期间先比较下旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。

 

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）

1.  
   bool __sync_bool_compare_and_swap (type *ptr, type oldval type newval, ...)
2.  
   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）

1.  
   InterlockedCompareExchange ( __inout LONG volatile  *Target,
2.  
                                   __in LONG Exchange,
3.  
                                   __in LONG Comperand);

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）

1.  
   template< class T >
2.  
   bool atomic_compare_exchange_weak( std::atomic<T>* obj,
3.  
                                      T* expected, T desired );
4.  
   template< class T >
5.  
   bool atomic_compare_exchange_weak( volatile std::atomic<T>* obj,
6.  
                                      T* expected, T desired );

下面的东西主要来自John D. Valois 1994年10月在拉斯维加斯的并行和分布系统系统国际大会上的一篇论文——《Implementing Lock-Free Queues》。无锁队列的链表实现

我们先来看一下进队列用CAS实现的方式：

1.  
   EnQueue(x)//进队列
2.  
   {
3.  
       //准备新加入的结点数据
4.  
       q = new record();
5.  
       q->value = x;
6.  
       q->next = NULL;
7.  
       do {
8.  
           p = tail;//取链表尾指针的快照
9.  
       } while( CAS(p->next, NULL, q) != TRUE);//如果没有把结点链在尾指针上，再试
10.  
        CAS(tail, p, q);//置尾结点
11.  
    }

我们可以看到，程序中的那个 do- while 的 Re-Try-Loop。就是说，很有可能我在准备在队列尾加入结点时，别的线程已经加成功了，于是tail指针就变了，于是我的CAS返回了false，于是程序再试，直到试成功为止。这个很像我们的抢电话热线的不停重播的情况。

你会看到，为什么我们的“置尾结点”的操作（第12行）不判断是否成功，因为：

1. 如果有一个线程T1，它的while中的CAS如果成功的话，那么其它所有的 随后线程的CAS都会失败，然后就会再循环，
2. 此时，如果T1 线程还没有更新tail指针，其它的线程继续失败，因为tail->next不是NULL了。
3. 直到T1线程更新完tail指针，于是其它的线程中的某个线程就可以得到新的tail指针，继续往下走了。

这里有一个潜在的问题——如果T1线程在用CAS更新tail指针的之前，线程停掉或是挂掉了，那么其它线程就进入死循环了。下面是改良版的EnQueue()

1.  
   EnQueue(x)//进队列改良版
2.  
   {
3.  
      q = new record();
4.  
       q->value = x;
5.  
       q->next = NULL;
6.  
       p = tail;
7.  
       oldp = p
8.  
       do {
9.  
           while (p->next != NULL)
10.  
                p = p->next;
11.  
        } while( CAS(p.next, NULL, q) != TRUE);//如果没有把结点链在尾上，再试
12.  
        CAS(tail, oldp, q);//置尾结点
13.  
    }

我们让每个线程，自己fetch 指针 p 到链表尾。但是这样的fetch会很影响性能。而通实际情况看下来，99.9%的情况不会有线程停转的情况，所以，更好的做法是，你可以接合上述的这两个版本，如果retry的次数超了一个值的话（比如说3次），那么，就自己fetch指针。

好了，我们解决了EnQueue，我们再来看看DeQueue的代码：（很简单，我就不解释了）

1.  
   DeQueue()//出队列
2.  
   {
3.  
       do{
4.  
           p = head;
5.  
           if (p->next == NULL){
6.  
               return ERR_EMPTY_QUEUE;
7.  
           }
8.  
       while( CAS(head, p, p->next) != TRUE );
9.  
       return p->next->value;
10.  
    }

我们可以看到，DeQueue的代码操作的是 head->next，而不是head本身。这样考虑是因为一个边界条件，我们需要一个dummy的头指针来解决链表中如果只有一个元素，head和tail都指向同一个结点的问题，这样EnQueue和DeQueue要互相排斥了。

注：上图的tail正处于更新之前的装态。

CAS的ABA问题

所谓ABA（见维基百科的ABA词条），问题基本是这个样子：

1. 进程P1在共享变量中读到值为A
2. P1被抢占了，进程P2执行
3. P2把共享变量里的值从A改成了B，再改回到A，此时被P1抢占。
4. P1回来看到共享变量里的值没有被改变，于是继续执行。

虽然P1以为变量值没有改变，继续执行了，但是这个会引发一些潜在的问题。ABA问题最容易发生在lock free 的算法中的，CAS首当其冲，因为CAS判断的是指针的地址。如果这个地址被重用了呢，问题就很大了。（地址被重用是很经常发生的，一个内存分配后释放了，再分配，很有可能还是原来的地址）

比如上述的DeQueue()函数，因为我们要让head和tail分开，所以我们引入了一个dummy指针给head，当我们做CAS的之前，如果head的那块内存被回收并被重用了，而重用的内存又被EnQueue()进来了，这会有很大的问题。（内存管理中重用内存基本上是一种很常见的行为）

这个例子你可能没有看懂，维基百科上给了一个活生生的例子——

你拿着一个装满钱的手提箱在飞机场，此时过来了一个火辣性感的美女，然后她很暖昧地挑逗着你，并趁你不注意的时候，把用一个一模一样的手提箱和你那装满钱的箱子调了个包，然后就离开了，你看到你的手提箱还在那，于是就提着手提箱去赶飞机去了。

这就是ABA的问题。

解决ABA的问题

维基百科上给了一个解——使用double-CAS（双保险的CAS），例如，在32位系统上，我们要检查64位的内容

1）一次用CAS检查双倍长度的值，前半部是指针，后半部分是一个计数器。

2）只有这两个都一样，才算通过检查，要吧赋新的值。并把计数器累加1。

这样一来，ABA发生时，虽然值一样，但是计数器就不一样（但是在32位的系统上，这个计数器会溢出回来又从1开始的，这还是会有ABA的问题）

当然，我们这个队列的问题就是不想让那个内存重用，这样明确的业务问题比较好解决，论文《Implementing Lock-Free Queues》给出一这么一个方法——使用结点内存引用计数refcnt！

1.  
   SafeRead(q)
2.  
   {
3.  
       loop:
4.  
           p = q->next;
5.  
           if (p == NULL){
6.  
               return p;
7.  
           }
8.  
           Fetch&Add(p->refcnt, 1);
9.  
           if (p == q->next){
10.  
                return p;
11.  
            }else{
12.  
                Release(p);
13.  
            }
14.  
        goto loop;
15.  
    }

其中的 Fetch&Add和Release分是是加引用计数和减引用计数，都是原子操作，这样就可以阻止内存被回收了。

用数组实现无锁队列

本实现来自论文《Implementing Lock-Free Queues》

使用数组来实现队列是很常见的方法，因为没有内存的分部和释放，一切都会变得简单，实现的思路如下：

1）数组队列应该是一个ring buffer形式的数组（环形数组）

2）数组的元素应该有三个可能的值：HEAD，TAIL，EMPTY（当然，还有实际的数据）

3）数组一开始全部初始化成EMPTY，有两个相邻的元素要初始化成HEAD和TAIL，这代表空队列。

4）EnQueue操作。假设数据x要入队列，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)，则说明队列满了。

5）DeQueue操作。定位HEAD的位置，把(HEAD, x)更新成(EMPTY, HEAD)，并把x返回。同样需要注意，如果x是TAIL，则说明队列为空。

算法的一个关键是——如何定位HEAD或TAIL？

1）我们可以声明两个计数器，一个用来计数EnQueue的次数，一个用来计数DeQueue的次数。

2）这两个计算器使用使用Fetch&ADD来进行原子累加，在EnQueue或DeQueue完成的时候累加就好了。

3）累加后求个模什么的就可以知道TAIL和HEAD的位置了。

如下图所示：

 小结

以上基本上就是所有的无锁队列的技术细节，这些技术都可以用在其它的无锁数据结构上。

1）无锁队列主要是通过CAS、FAA这些原子操作，和Retry-Loop实现。

2）对于Retry-Loop，我个人感觉其实和锁什么什么两样。只是这种“锁”的粒度变小了，主要是“锁”HEAD和TAIL这两个关键资源。而不是整个数据结构。

还有一些和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模板。
• IBM developerWorks的《设计不使用互斥锁的并发数据结构》