并发级别

Posted 2020-08-29 重设代码的天空

在看多核编程相关论文时，往往一个并发算法会说自己是wait-free的或者lock-free的，或者是 non-blocking 的，这些专有词汇其实表示的是并发的程度，或者说并发的级别。并发级别的理解是阅读各种并发算法设计论文以及并发数据结构实现的必备基础。

1.1  Wait-freedom 无等待并发

Wait-freedom 指的是每一个线程都一直运行下去而无须等待外部条件，整个流程中任何操作都能在一个有限的步骤内完成，这是最高的并发级别，没有任何阻塞。

 结合之前原子操作部分的知识，可以简单认为能够直接调用一个原子操作实现的算法或程序就属于Wait-free，比如下面的 increment_reference_counter 函数就是wait-free的，它封装了atomic_increment这个原子自增原语，多个线程可以同时调用这个函数对同一个内存变量进行自增，而无须任何阻塞（其实也是有阻塞的，是总线锁级别）

 与此做对比，CAS类的调用就不是wait-free的，注意wait-free的原语都不能包含内部循环，CAS原语使用时通常包含在“循环直到成功”的循环内部。

 void increment_reference_counter(rc_base* obj)

{

    atomic_increment(obj->rc);

}

1.2  Lock-freedom 无锁并发

Lock-freedom 指的是整个系统作为一个整体一直运行下去，系统内部单个线程某段时间内可能会饥饿，这是比wait-freedom弱的并发级别，但系统整体上看依然是没有阻塞的。所有wait-free的算法显然都满足lock-free的要求。

 Lock-free算法通常可以通过同步原语 CAS实现。

 void stack_push(stack* s, node* n)

{

    node* head;

    do

    {

        head = s->head;

        n->next = head;

    }

    while ( ! atomic_compare_exchange(s->head, head, n));

}

多个线程同时调用上述函数，理论上某个线程可以一直困在循环内部，但一旦有一个线程原子操作失败而返回循环，意味着有其他线程成功执行了原子操作而退出循环，从而保证系统整体是没有阻塞的。

 其实前面的原子自增函数也可以用下面的原语实现，在这种实现里，不再是所有线程都无阻塞了，某些线程可能会因为CAS失败而回绕若干次循环。

void increment_reference_counter(rc_base* obj)

{

       Int rc;

       Do {

       rc = obj->rc;

} while(!atomic_compare_exchange(obj->rc,rc,rc+1));

}

1.3  Obstruction-freedom 无阻塞并发

Obstruction-free 是指在任何时间点，一个孤立运行线程的每一个操作可以在有限步之内结束。只要没有竞争，线程就可以持续运行，一旦共享数据被修改，Obstruction-free 要求中止已经完成的部分操作，并进行回滚，obstruction-free 是并发级别更低的非阻塞并发，该算法在不出现冲突性操作的情况下提供单线程式的执行进度保证，所有 Lock-Free 的算法都是 Obstruction-free 的。

1.4  Blocking algoithms 阻塞并发

阻塞类的算法是并发级别最低的同步算法，它一般需要产生阻塞。可以简单认为基于锁的实现是blocking的算法。详细参考第五章

上述几种并发级别可以使用下图描述：

蓝色是阻塞的算法，绿色是非阻塞算法，金字塔越上方，并发级别越高，性能越好，右边的金字塔是实现工具（原子操作、锁、互斥体等）