如何在无锁并发队列中实现“Front”方法？

Posted 2023-02-22

【中文标题】如何在无锁并发队列中实现“Front”方法？

【英文标题】：How to implement "Front" method in a lock-free concurrent queue?

【发布时间】：2019-11-25 23:54:18

【问题描述】：

我正在尝试实现一个并发无锁队列。我正在密切关注这篇论文：https://www.cs.rochester.edu/u/scott/papers/1996_PODC_queues.pdf 但是本文没有提供公开 Front() 或 Back() 方法的安全方法。 Enqueue() 和 Dequeue() 方法在那里。 （本文详细阐述了无锁版本和带锁版本，我对前者感兴趣）。让我现在直截了当地提出问题。在所有安全检查（类似于 Enqueue）之后，Front() 函数的紧缩归结为：

1. if(local_copy_of_head == curr_shared_head)   // Let's say I read this atomically. The equality means the head didn't move since the time I copied.
2.   return local_copy_of_head;
3. 

我想明确一点，虽然这是一个关于如何实现 Front() 函数的问题，但我主要感兴趣的是如何将上面的 sn-p 重构为一个没有任何锁的原子块。 我担心的是，如果 Thread1 在执行第 1 行后被中断（假设我以原子方式阅读），那么第二个线程清空队列，Thread1 被重新调度并返回一个陈旧的结果。

【参考方案1】：

你不能。你可以制作一个可以运行很多次的糟糕版本，但总的来说是失败的。要揭开无锁的神秘面纱，请将其替换为之前的术语忙等待。 Busy-waiting更恰当地捕捉了消耗cpu资源的选择，希望能恰当地检测到你的race end condition，因此结果是一致的。

通过放弃队列的头部（Front），您不知道这个客户端在承诺吸收它之前可能会使用它多长时间（Dequeue，原文如此：这不是 dequeue 的意思）。因此，您的 Front 函数只能是设计不佳的队列实现的前端。

从来都不是很长的时间。好吧，不是从来没有，但是，它需要一个伴随函数（Absorb），它可以告诉我们这个队列头的吸收是队列头上唯一的操作，因为相应的 Front 被调用了；因此队列处于相同状态。如果不是，则必须向调用者返回一个失败，其中它必须回滚正在进行的任何操作以反映此失败。

好吧，所以不是从来没有，但是已经完成的只是将事务语义提升了一个级别，向设计师暗示设计可能有点缺乏。所以你有一个无事务队列。我们中的一些人曾经称其为增量。