什么是非无锁的无阻塞算法示例？

Posted 2023-02-22

【中文标题】什么是非无锁的无阻塞算法示例？

【英文标题】：What is an example of obstruction-free algorithm that is not lock-free?

【发布时间】：2017-09-29 13:25:57

【问题描述】：

所以 lock-freedom 是当您保证整个系统取得进展时，尽管某些线程可能会饿死。所以基于 CAS 的实现可以提供这种保证。

那么无阻塞是当所有其他线程都被挂起时，一个线程可以保证完成。

你能举一个不无锁的无阻塞算法的简单例子吗？

谢谢！

【问题讨论】：

整个算法必须是无锁的，而不是每个单独的 CAS。 (en.wikipedia.org/wiki/Non-blocking_algorithm)。例如，请参阅使用原子 CAS 对无锁队列的分析，它甚至不是无阻塞的（尽管在实践中它非常好并且在低争用情况下可以很好地扩展）。 ***.com/questions/45907210/….

【参考方案1】：

我推荐阅读 introduced the term 的论文 - 主要作者 Herlihy 在 25 年前引入 wait-freedom 的概念时开创了整个行业。

无锁和无阻塞之间的核心区别在于，如果两个或多个线程正在运行，后者不保证进度（但如果只有一个在运行）。

论文的内容是你想要的，一个无阻塞但不是无锁的出列示例。

为了更简单，我将描述一个基于数组的堆栈，它以相同的方式运行，并且是无阻塞但不是无锁的。

想象一个在数组顶部实现的堆栈，这样堆栈的零个或多个元素连续存储在数组的开头，然后是所有剩余位置的“空”元素。堆栈的每个元素都存储为一个元组：(val, seq)，其中val 是用户提供的值，seq 是一个序列号，它是算法的关键（同时也避免了 ABA 问题¹ ）。

要将元素压入堆栈，首先要找到堆栈中的最后一个元素（位置A[k-1]），它直接位于第一个null 元素之前（位置A[k]）。您尝试使用 CAS 增加 A[k-1] 的序列号（元素不会更改），如果成功，您尝试同时替换位置 A[k] 处的空元素的值并增加其序列号。如果任一 CAS 失败，请重试。

pop 算法类似，但以相反的顺序处理元素（增加第一个 null 元素的序列号，然后尝试使最后一个元素为 null 并增加其序列号）。

这个结构的正确性在上面的论文中有更详细的描述，但基本上通过成功增加A[k-1]th 元素，您可以确保此时它仍然是列表中的最后一个元素，并且您同时通知任何通过导致初始 CAS 失败，您可以“获得下一个镜头”的竞速推进操作。如果第二个 CAS 成功，则您成功添加了一个元素。

请注意，并发的 push 和 pop 操作可能会导致彼此无限期地失败。 push 线程递增A[k-1]，pop 递增A[k]，然后每个线程都失败了，因为它们看到了另一个线程的增量。冲洗并重复。这是活锁的一个例子。

请注意，如果只有一个线程在运行，问题就会消失，这是无阻塞的关键观察。

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¹ ...它还避免了完整版本的出队中的“环绕”问题，但我认为堆栈不会发生这种情况。

【讨论】：

感谢您的详细解答！不过，我不明白元组的 seq 组件包含什么。你能更好地解释那部分吗？

只是一个足够大的整数，它不会“轻易”环绕。完整的细节在论文中。 @vidi

【参考方案2】：

我不确定是否可以给出一个简单的例子。简单的事情通常是无等待的（例如 RCU 的读取器端）或无锁的（例如不可能活锁的 CAS 重试循环），甚至不是无阻塞的。

请参阅Lock-free Progress Guarantees，了解对无锁多写入器多读取器队列的分析，其中在操作中间休眠的写入器可能会阻塞整个队列，尽管它具有高性能/低争用且在实践中很有用。

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我认为只有当线程可以取消其他线程的部分完成操作时，才可能实现无阻塞而不无锁。 （从而处理在他们醒来时取消自己的操作的情况）。我可能弄错了；也许还有其他方法可以使算法成为非阻塞但不是无锁的。

这不是我认为的简单，但https://en.wikipedia.org/wiki/Non-blocking_algorithm 说：

一些无障碍算法在数据结构中使用一对“一致性标记”。读取数据结构的进程首先读取一个一致性标记，然后将相关数据读入内部缓冲区，然后读取另一个标记，然后比较标记。如果两个标记相同，则数据是一致的。当读取被另一个更新数据结构的进程中断时，标记可能是不相同的。在这种情况下，进程会丢弃内部缓冲区中的数据并重试。

如果争用的退避算法不好，这可能会发生活锁。由于有太多的线程在敲击它，他们可以在任何事情完成之前不断地相互取消。这就是它不是无锁的原因。