无锁数据结构中需要多少个 ABA 标记位？

Posted 2023-02-16

【中文标题】无锁数据结构中需要多少个 ABA 标记位？

【英文标题】：How many ABA tag bits are needed in lock-free data structures?

【发布时间】：2017-07-19 18:24:49

【问题描述】：

无锁数据结构中 ABA 问题的一种流行解决方案是使用额外的单调递增标记来标记指针。

 struct aba 
      void *ptr;
      uint32_t tag;
 ;

但是，这种方法有一个问题。它真的很慢并且有很大的缓存问题。如果我放弃标签字段，我可以获得两倍的加速。但这不安全吗？

所以我下一次尝试 64 位平台的东西是在 ptr 字段中填充位。

struct aba 
    uintptr __ptr;
;
uint32_t get_tag(struct aba aba)  return aba.__ptr >> 48U; 

但是有人对我说，标签只有 16 位是不安全的。我的新计划是使用缓存行指针对齐来填充更多标记位，但我想知道这是否可行。

如果这不起作用，我的下一个计划是使用 Linux 的 MAP_32BIT mmap 标志来分配数据，因此我只需要 32 位指针空间。

无锁数据结构中的 ABA 标签需要多少位？

【问题讨论】：

我知道你从一个单调递增的标签分配策略开始，我承认我对这个问题了解不多，但总的来说，不会有一个廉价的类似哈希的函数（比如，hyperlog -distributed numeric buckets) 保证标签不冲突？

@bright-star 我自己正在考虑使用散列函数，但我无法构造一个好的论据来使用一个而不是仅仅增加标签。不过，这似乎是一个非常有趣的想法。

【参考方案1】：

实际安全的标签位数可以根据抢占时间和指针修改的频率来估计。

提醒一下，ABA问题发生在线程读取它想要通过比较和交换更改的值时，被抢占，当它恢复时，指针的实际值恰好等于线程之前读取的值.因此，尽管其他线程可能在抢占时间内进行了数据结构修改，但比较和交换操作可能会成功。

添加单调递增标记的想法是使指针的每次修改都是唯一的。为了成功，增量必须在修改线程可能被抢占期间产生唯一的标记值；即，为了保证正确性，标签可能不会在整个抢占时间内环绕。

让我们假设抢占会持续一个操作系统调度时间片，通常是几十到几百毫秒。 CAS 在现代系统上的延迟是几十到几百纳秒。如此粗略的最坏情况估计是，当线程被抢占时，可能会有数百万个指针修改，因此标签中应该有 20+ 位以使其不回绕。

在实践中，可以根据已知的 CAS 操作频率对特定的实际用例做出更好的估计。还需要更准确地估计最坏情况下的抢占时间；例如，被高优先级作业抢占的低优先级线程可能会以更长的抢占时间结束。

【讨论】：

在主观上，我发现将备用地址位用于标记值的方法非常脆弱，而且相当不可移植且不能面向未来（例如，如果未来的处理器世代将使用超过 48位用于内存寻址） - 因此在实际使用中很危险。

【参考方案2】：

根据论文

http://web.cecs.pdx.edu/~walpole/class/cs510/papers/11.pdf 危险指针：无锁对象的安全内存回收（IEEE TRANSACTIONS ON PARALLEL AND DISTRIBUTED SYSTEMS，第 15 卷，第 6 期，2004 年 6 月，第 491 页）作者：PhD Maged M. Michael

标签位的大小应该使在真正的无锁场景中无法进行环绕（我可以这样理解，就好像您可能有 N 个线程正在运行并且每个线程都可以访问该结构，您至少应该有 N+1 个不同的标签状态）：

6.1.1 IBM ABA 预防标签

节点复用最早最简单的无锁方法是 引入的标签（更新计数器）方法 IBM System 370 [11] 上的 CAS 文档。它 需要将标签与每个位置相关联 ABA倾向比较操作的目标。通过递增 关联位置的值为时的标签 书面的，比较操作（例如，CAS）可以确定是否 该位置自上次访问后被写入 相同的线程，从而防止 ABA 问题。 该方法要求标签包含足够的位以使 在任何执行期间不可能完全环绕 单次无锁尝试。这种方法非常有效并且 允许立即重用退役节点。

【讨论】：

不能保证另一个线程只能修改一次值，所以我相信任何基于线程数的限制都是不安全的。

论文列出了条件。你还有其他不同情况的论文吗？

所述条件是正确的，但我的解释不同。特别是，“任何单个无锁尝试的执行”包括线程被抢占的时间，而其他线程在此期间可能执行的操作远不止单个操作。我已经编写了一个答案来澄清这一点。

【参考方案3】：

根据您的数据结构，您可以从指针中窃取一些额外的位。例如，如果对象是 64 字节并且始终在 64 字节边界上对齐，则每个指针的低 6 位可用于标记（但这可能是您已经为新计划建议的内容）。

另一种选择是在对象中使用索引而不是指针。

在连续对象的情况下，当然只是简单地成为数组或向量的索引。对于在堆上分配对象的列表或树，您可以使用自定义分配器并在分配的块中使用索引。

对于 1700 万个对象，您只需要 24 位，为标签留下 40 位。

这需要一些（小而快）额外的计算来获得地址，但如果对齐是 2 的幂，则只需要移位和加法。