C++并发编程实战：无锁数据结构设计精要-优快云博客

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C++并发编程实战：无锁数据结构设计精要

CPP-Concurrency-In-Action-2ed-2019 项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/cp/CPP-Concurrency-In-Action-2ed-2019

无锁数据结构概述

在并发编程领域，无锁数据结构是一种不需要传统互斥锁就能实现线程安全访问的数据结构。这类数据结构通过原子操作和内存序来保证多线程环境下的正确性，相比基于锁的实现具有显著优势。

为什么需要无锁数据结构

传统基于锁的并发数据结构存在几个固有缺陷：

死锁风险：当多个线程以不同顺序获取锁时可能导致死锁
优先级反转：高优先级线程可能被低优先级线程阻塞
锁争用：大量线程竞争同一锁会导致性能下降
故障容错：持有锁的线程崩溃可能导致整个系统阻塞

无锁数据结构通过避免使用互斥锁来解决这些问题，但同时也带来了新的挑战。

无锁数据结构的核心特性

严格意义上的无锁数据结构必须满足以下条件：

无阻塞：至少有一个线程能够在有限步骤内完成操作
无锁：系统整体不会因为单个线程的暂停而停止前进
无等待（更强保证）：所有线程都能在有限步骤内完成操作

内存管理挑战

无锁数据结构面临的最大挑战之一是内存管理。由于没有锁的保护，传统的"先分配后释放"模式可能导致以下问题：

ABA问题：一个值从A变成B又变回A，导致比较交换操作误判
悬挂指针：一个线程读取数据时，另一个线程可能已经释放了该内存

解决这些问题需要特殊的内存回收技术，如引用计数、危险指针(hazard pointer)或epoch-based回收机制。

设计无锁数据结构的实用技巧

原子操作选择：根据场景选择合适的原子操作（加载、存储、交换、比较交换等）
内存序确定：理解并正确使用memory_order参数（relaxed、acquire、release等）
ABA防护：采用带标签的指针或版本号机制
渐进式设计：从简单结构开始，逐步验证正确性

典型案例分析

无锁栈实现

无锁栈是最基础的无锁数据结构之一，其核心操作（push和pop）都可以通过原子比较交换(CAS)实现：

template<typename T>
class lock_free_stack {
private:
    struct node {
        T data;
        node* next;
        node(T const& data_): data(data_) {}
    };
    std::atomic<node*> head;
public:
    void push(T const& data) {
        node* const new_node = new node(data);
        new_node->next = head.load();
        while(!head.compare_exchange_weak(new_node->next, new_node));
    }
    // pop实现需要考虑内存回收，此处略
};

无锁队列实现

无锁队列比栈更复杂，需要同时管理头尾指针，并处理生产者和消费者之间的协调：

template<typename T>
class lock_free_queue {
private:
    struct node {
        std::shared_ptr<T> data;
        std::atomic<node*> next;
        node(): next(nullptr) {}
    };
    std::atomic<node*> head;
    std::atomic<node*> tail;
public:
    // 省略构造函数等其他成员
    void push(T new_value) {
        std::shared_ptr<T> new_data(std::make_shared<T>(std::move(new_value)));
        node* p = new node;
        node* const old_tail = tail.load();
        old_tail->data.swap(new_data);
        old_tail->next = p;
        tail.store(p);
    }
    // pop实现需要考虑更多边界条件
};