无锁数据结构（一）

无锁数据结构（一）

Andrei Alexandrescu

December 16, 2007

译者：张桂权

12/25/2007

（初稿阶段，没有得到许可不得引用，否则后果自负）

泛型编程（Generic<Programming>）被删除之后（我知道，认为母校（毕业的学校）要求一切，不仅仅是100%的个人时间，是非常天真的），对于本篇文章来说，到目前为止，就没有丰富的题材了。一个备选主题是构造器的讨论，尤其是前沿的构造器，异常处理和双角色（two-stage）对象构造。另一个主题——再瞥一眼Yaslander技术[2]——创建不完全类型的容器（比如，lists, vectors, maps），凭借一些有趣的技巧完全可以实现，但是没有标准容器的保证。

当两个主题都很喜欢的时候，他们又不能给无锁数据结构（lock-free data structures）一个机会，这可是所有多线程编程社区的共同期望。在今年的PLDI会议（http://www.cs.umd.edu/~pugh/pldi04/）上，Michael Maged展示了世界上第一个无锁内存分配器[7]，这，在很多测试上，超越了其他更复杂，精心设计的基于锁的分配器。这是不久前出现的许多无锁数据结构和算法的最新成果，……不过，让我们从头开始吧。

 

1 何谓“无锁”

这就是曾经我最想问一个问题。作为一名真正的多线程程序员，我最熟悉基于锁的多线程算法。在经典的基于锁的编程中，不论何时如果你需要共享一些数据，那么你需要串行访问它。那些改变数据的操作必须是原子的，这样没有其它的线程干扰，并破坏数据的不变性。即使像++count_，这样简单的操作，其中count_是整数类型,也必须加锁，因为“++”确实是一个三步操作，但是没有必要原子操作。

 

总之，在基于锁的多线程编程中，你需要保证对竞争条件很敏感的共享数据上的任何操作，都通过加锁或解锁一个独占(mutex)来实现原子操作。锁上独占是非常明智的，只要锁上独占之后，你就可以执行几乎任意的操作，推心置腹的说，没有线程会欺骗你的共享状态。

 

确切的来说，当一个独占被加锁之后你的操作是随机的，也是有问题。比如说，你可以，读取键盘输入或执行一个缓慢的I/O操作，这就意味着你延迟了其它任何等待同一个独占的线程。糟糕的是，你可以决定，你想去访问其它的一些共享数据，并试图锁上它的独占。如果另外一个线程已经锁上了最后一个独占，并且试图去访问你的线程持有的第一个独占，马上两个进程都被挂起，所以你可以称之为“死锁”。

 

进入无锁编程。在无锁编程中你几乎不能以原子的方式做任何的事情。仅仅只有极少数的操作可以通过原子方式处理，这些限制使得无锁编程的方法更难了。（事实上，世界上大概有半打无锁编程专家，但是你真的不在此列。然而，庆幸的是，本文将给你提供基础的工具、参考书和热心，助你成为其中的一员）。作为这么一个稀有的框架的回报就是，你可以提供线程进度和线程之间的交互更好的保证。但是，无锁编程中你可以原子化处理的这些“少量的事”（small set of things）究竟是什么呢？事实上，允许实现任何无锁算法的最小的原子原语(atomic primitives)集是什么呢——如果存在这样一个集合？

 

如果你认为这是一个简单十足的问题，那有必要为它设立一个大奖？但是别人就这样干的。2003年，Maurice Herilihy因为其萌芽之作《无等待同步》而获得分布式计算领域的Edsger W.Dijkstra奖。（看看http://www.prodx.org/dijkstra/2003.html吧。其中还包括一个这篇论文的连接）。在这篇绝技（tour-de-force）论文中，Herlihy证明了建立无锁数据结构的好的和不好的原语。这促使了一个表面上很热火的硬件架构立即废弃，同时明晰未来的硬件中应该实现什么样的同步原语。

 

例如，在Herlihy的论文中给出的不可能的结果，表明原子操作，如，test-and-set(检测-设置)、swap(交换)、fetch-and-add（获取-增加）或即使是atomic queues（原子队列）都不适合同步两个以上的线程。（这实在让人感到惊讶，因为队列的原子push和pop操作应该提供非常强的抽象。）很精明的是，Herlihy还给出了通常的结果，证明了一些非常简单的结构足以实现支持任意数量线程的无锁算法。

 

最简单，最流行，并且贯穿本文的通用原语，是比较-交换(compare-and-swap，CAS)操作：

 

template <class T>

bool CAS(T* addr, T exp, T val)

{

       if (*addr == exp)

        {

                  *addr = val;

               return true;

      }

return false;

}

 

CAS用一个期望值来比较一个内存地址的内容，如果比较成功，则用一个新的值来替换这个内容（上下文）。这个过程是原子的。许多现代的处理器实现了CAS或等价不同位长的原语（为了更合理，我们把它作为template，假设一个实现采用元编程（metaprogramming）来约束可能的T）。一个让人称道的规则是，CAS能够原子的比较和交换的位越多，越容易用它来实现无锁数据结构。当今的32位处理器实现62位的CAS；比如，Intel的汇编器称之为CMPXCHG8（你将喜欢这些汇编器的助记术）。

---------------源文档------------------
Lock-Free Data Structures
Andrei Alexandrescu
December 17, 2007
http://erdani.org/publications/cuj-2004-10.pdf
最后一次访问时间：2007年12月30日
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