使用 Load-link/store-conditional 来防止 ABA 的无锁 C++11 示例？

Posted 2023-02-16

【中文标题】使用 Load-link/store-conditional 来防止 ABA 的无锁 C++11 示例？

【英文标题】：Lock-free C++11 example using Load-link/store-conditional to prevent ABA?

【发布时间】：2014-05-30 13:08:32

【问题描述】：

使用比较和交换 (CAS) 技术编写无锁代码时，会出现一个称为 ABA 问题的问题：

http://en.wikipedia.org/wiki/ABA_problem

只比较值“A”是有问题的，因为在两个观察之间仍然可能发生写入。我继续阅读并找到了这个解决方案：

http://en.wikipedia.org/wiki/LL/SC

在计算机科学中，加载链接和条件存储 (LL/SC) 是 多线程中使用的一对指令来实现 同步。 load-link 返回内存的当前值 位置，而随后的存储条件是相同的内存 只有在没有发生更新时，位置才会存储新值 自加载链接以来的那个位置。总之，这实现了一个 无锁原子读-修改-写操作。

如何修改典型的 C++ 无锁 CAS 技术以使用上述解决方案？有人可以举一个小例子吗？

我不介意它是否特定于 C++11/x86、x86-64 Linux（最好没有 Win32 答案）。

【参考方案1】：

LL/SC 是由某些架构（例如 SPARC）实现的指令，用于形成更高级别的原子操作的基础。在 x86 中，您可以使用 LOCK 前缀来实现类似的目标。

为了避免 x86 上 LOCK 的 ABA 问题，您必须提供自己的保护以防止干预存储。一种方法是在相关内存附近存储一个代号（只是一个递增的整数）。每个更新程序都会进行足够广泛的原子比较/交换，以包含数据和序列号。只有找到正确的数据和正确的数字，更新才会成功。同时，它会更新数字，以便其他线程看到变化。

您会注意到，x86 一直 (?) 提供了一个 CMPXCHG 指令，其宽度是机器字的两倍（请参阅 CMPXCHG8B 和后来的 CMPXCGH16B），可用于此目的。

【讨论】：

你是说CMPXCHG实现了CAS2/Double CAS？

CMPXCGH8B（在 32 位系统上）或 CMPXCHG16B（在 64 位系统上）更像是“双 width CAS”。一般的 CAS2 可以在非连续内存上工作。

假设您在指针上使用 CAS，请记住，在 64 位的 Windows 上，8 字节对齐的地址中有 23 个未使用的位。我只是使用一个联合来封装一个 64 位数字，以及一个包含我的 ptr/aba 成员的结构。在 linux 中，除非您想处理完整的 64 位范围，否则您可以使用相同的技巧。我的经验是 128 位的 CAS 比 64 位的要慢，所以我总是尽量塞进 64 位。

如果你有指针的 ABA 问题，那么你也有生命周期管理问题。至少我不知道有任何方法可以解决指针的 ABA 问题，而在某些时候没有持有悬空指针。 Herb Sutter 对此进行了演讲，他提出的解决方案是在 MSVC for C++20 中实现的，希望有一天它会在所有地方实现：youtu.be/CmxkPChOcvw