无锁队列-使用hazard指针解决ABA问题

无锁队列-使用hazard指针解决ABA问题

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实现一个无锁队列, 原子操作使用了tbb::atomic, ABA问题使用hazard指针解决

 无锁队列实现:

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1. /* 
2.  * msque.hpp 
3.  *       Created on: 2012-8-30 
4.  *           Author: qianqians 
5.  * msque: 
6.  */  
7.   
8. #ifndef _MSQUE_H  
9. #define _MSQUE_H  
10.   
11. #include <boost/bind.hpp>  
12. #include <boost/atomic.hpp>  
13. #include <boost/pool/pool_alloc.hpp>  
14.   
15. #include <angelica/container/detail/_hazard_ptr.h>  
16.   
17. namespace angelica {  
18. namespace container{  
19.   
20. template <typename T, typename _Allocator = boost::pool_allocator<T> >  
21. class msque{  
22. private:  
23.     struct _list_node{  
24.         _list_node () {_next = 0;}  
25.         _list_node (const T & val) : data(val) {_next = 0;}  
26.         ~_list_node () {}  
27.   
28.         T data;  
29.         boost::atomic<_list_node *> _next;  
30.     };  
31.   
32.     struct _list{  
33.         boost::atomic<_list_node *> _begin;  
34.         boost::atomic<_list_node *> _end;  
35.         boost::atomic_uint32_t _size;  
36.     };  
37.   
38.     typedef angelica::container::detail::_hazard_ptr<_list_node> _hazard_ptr;  
39.     typedef angelica::container::detail::_hazard_system<_list_node> _hazard_system;  
40.     typedef typename _Allocator::template rebind<_list_node>::other _node_alloc;  
41.     typedef typename _Allocator::template rebind<_list>::other _list_alloc;  
42.   
43. public:  
44.     msque(void){  
45.         __list.store(get_list());  
46.     }  
47.   
48.     ~msque(void){  
49.         put_list(__list.load());  
50.     }  
51.   
52.     bool empty(){  
53.         return (__list.load()->_size.load() == 0);  
54.     }  
55.   
56.     std::size_t size(){  
57.         return __list.load()->_size.load();  
58.     }  
59.   
60.     void clear(){  
61.         _list * _new_list = get_list();  
62.         _list * _old_list = __list.exchange(_new_list);  
63.         put_list(_old_list);  
64.     }  
65.   
66.     void push(const T & data){  
67.         _list_node * _null = 0;  
68.   
69.         _list_node * _node = 0;  
70.         while(_node == 0){  
71.             _node = get_node(data);  
72.         }  
73.   
74.         _hazard_ptr * _hp = _hazard_sys.acquire();  
75.         _hp->_hazard = __list.load()->_end.load();  
76.         while(1){  
77.             if(_hp->_hazard != __list.load()->_end.load()){  
78.                 _hp->_hazard = __list.load()->_end.load();  
79.                 continue;  
80.             }  
81.   
82.             _list_node * _begin_node = __list.load()->_begin.load();  
83.             _list_node * next = _hp->_hazard->_next.load();  
84.   
85.             if(_hp->_hazard != __list.load()->_end.load()){  
86.                 _hp->_hazard = __list.load()->_end.load();  
87.                 continue;  
88.             }  
89.   
90.             if(next != 0){  
91.                 __list.load()->_end.compare_exchange_weak(_hp->_hazard, next);  
92.                 _hp->_hazard = __list.load()->_end.load();  
93.                 continue;  
94.             }  
95.   
96.             if (_hp->_hazard->_next.compare_exchange_weak(_null, _node)){  
97.                 break;  
98.             }else{  
99.                 _null = 0;  
100.                 _hp->_hazard = __list.load()->_end.load();  
101.             }  
102.         }  
103.         __list.load()->_end.compare_exchange_weak(_hp->_hazard, _node);   
104.   
105.         _hazard_sys.release(_hp);  
106.   
107.         __list.load()->_size++;  
108.     }  
109.   
110.     bool pop(T & data){  
111.         bool ret = true;  
112.   
113.         _hazard_ptr * _hp_begin = _hazard_sys.acquire();  
114.         _hazard_ptr * _hp_next = _hazard_sys.acquire();  
115.         _hp_begin->_hazard = __list.load()->_begin.load();  
116.         while(1){     
117.             if(_hp_begin->_hazard != __list.load()->_begin.load()){  
118.                 _hp_begin->_hazard = __list.load()->_begin.load();  
119.                 continue;  
120.             }  
121.   
122.             _list_node * end = __list.load()->_end.load();  
123.             _hp_next->_hazard = _hp_begin->_hazard->_next.load();  
124.   
125.             if(_hp_next->_hazard == 0){  
126.                 ret = false;  
127.                 goto end;  
128.             }  
129.   
130.             if(_hp_begin->_hazard != __list.load()->_begin.load()){  
131.                 _hp_begin->_hazard = __list.load()->_begin.load();  
132.                 continue;  
133.             }  
134.   
135.             if(end == _hp_begin->_hazard){  
136.                 __list.load()->_end.compare_exchange_weak(end, _hp_next->_hazard);  
137.                 _hp_begin->_hazard = __list.load()->_begin.load();  
138.                 continue;  
139.             }  
140.   
141.             if(__list.load()->_begin.compare_exchange_strong(_hp_begin->_hazard, _hp_next->_hazard)){  
142.                 break;  
143.             }  
144.         }  
145.         data = _hp_next->_hazard->data;  
146.         _hazard_sys.retire(_hp_begin->_hazard, boost::bind(&angelica::container::msque<T>::put_node, this, _1));  
147.   
148.         __list.load()->_size--;  
149.   
150.     end:  
151.         _hazard_sys.release(_hp_begin);  
152.         _hazard_sys.release(_hp_next);  
153.   
154.         return ret;  
155.     }  
156.   
157. private:  
158.     _list * get_list(){  
159.         _list * __list = __list_alloc.allocate(1);  
160.         __list->_size = 0;  
161.   
162.         _list_node * _node = __node_alloc.allocate(1);  
163.         _node->_next.store(0);  
164.         __list->_begin.store(_node);  
165.         __list->_end.store(_node);  
166.   
167.         return __list;  
168.     }  
169.   
170.     void put_list(_list * _p){  
171.         _list_node * _node = _p->_begin;  
172.         do{  
173.             _list_node * _tmp = _node;  
174.             _node = _node->_next;  
175.   
176.             _hazard_sys.retire(_tmp, boost::bind(&angelica::container::msque<T>::put_node, this, _1));  
177.         }while(_node != 0);  
178.         __list_alloc.deallocate(_p, 1);  
179.     }  
180.   
181.     _list_node * get_node(const T & data){  
182.         _list_node * _node = __node_alloc.allocate(1);  
183.         _node->data = data;  
184.         _node->_next = 0;  
185.   
186.         return _node;  
187.     }  
188.   
189.     void put_node(_list_node * _p){  
190.         __node_alloc.deallocate(_p, 1);  
191.     }  
192.   
193. private:  
194.     boost::atomic<_list *> __list;  
195.     _list_alloc __list_alloc;  
196.     _node_alloc __node_alloc;  
197.     _hazard_system _hazard_sys;  
198.   
199.     _Allocator __T_alloc;  
200.   
201. };  
202.   
203. } /* angelica */  
204. } /* container */  
205. #endif //_MSQUE_H  

　　

 hazard指针实现:

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1. /* 
2.  * _hazard_ptr.hpp 
3.  *  Created on: 2012-8-26 
4.  *      Author: qianqians 
5.  * _hazard_ptr: Used to solve the ABA problem 
6.  */  
7.   
8. #ifndef _HAZARD_PTR_H  
9. #define _HAZARD_PTR_H  
10.   
11. #include <vector>  
12. #include <boost/thread.hpp>  
13. #include <boost/function.hpp>  
14. #include <boost/foreach.hpp>  
15. #include <boost/atomic.hpp>  
16. #include <boost/pool/pool_alloc.hpp>  
17.   
18. namespace angelica{  
19. namespace container{  
20. namespace detail{  
21.   
22. // _hazard_ptr  
23. template <typename X>  
24. struct _hazard_ptr{  
25.     X * _hazard; //  
26.     boost::atomic_int32_t _active; // 0 使用中/1 未使用  
27. };  
28.   
29. // hazard system   
30. template <typename T>  
31. class _hazard_system{  
32. public:  
33.     _hazard_system(){  
34.         llen.store(0);  
35.   
36.         re_list_set.resize(8);  
37.         for(int i = 0; i < 8; i++){  
38.             re_list_set[i] = new recover_list;  
39.             re_list_set[i]->active.store(1);  
40.         }  
41.   
42.         _head = _get_node();  
43.     }  
44.   
45.     ~_hazard_system(){  
46.         BOOST_FOREACH(recover_list * _re_list, re_list_set){  
47.             if(!_re_list->re_vector.empty()){  
48.                 BOOST_FOREACH(_deallocate_data var, _re_list->re_vector){  
49.                     var.second(var.first);  
50.                 }  
51.                 _re_list->re_vector.clear();  
52.             }  
53.         }  
54.         re_list_set.clear();  
55.     }  
56.   
57. private:  
58.     // lock-free list(push only) storage _hazard_ptr  
59.     typedef _hazard_ptr<typename T> _hazard_ptr_;  
60.     typedef struct _list_node{  
61.         _hazard_ptr_ _hazard;  
62.         boost::atomic<_list_node *> next;  
63.     } _list_head;  
64.   
65.     // allocator   
66.     boost::pool_allocator<_list_node> _alloc_list_node;  
67.   
68.     // hazard ptr list  
69.     boost::atomic<_list_head *> _head;  
70.     // list lenght  
71.     boost::atomic_uint32_t llen;  
72.   
73.     _list_node * _get_node(){  
74.         _list_node * _node = _alloc_list_node.allocate(1);  
75.         _node->_hazard._hazard = 0;  
76.         _node->_hazard._active = 1;  
77.         _node->next = 0;  
78.   
79.         return _node;  
80.     }  
81.   
82.     void _put_node(_list_node * _node){  
83.         _alloc_list_node.deallocate(_node, 1);  
84.     }  
85.   
86. public:  
87.     _hazard_ptr_ * acquire(){  
88.         // try to reuse a retired hazard ptr  
89.         for(_list_node * _node = _head; _node; _node = _node->next){  
90.             if (_node->_hazard._active.exchange(0) == 0)  
91.                 continue;  
92.             return &_node->_hazard;  
93.         }  
94.   
95.         // alloc a new node   
96.         _list_node * _new_node = _get_node();  
97.         _new_node->_hazard._active.store(0);  
98.         // increment the list length  
99.         llen++;  
100.         // push into list  
101.         _new_node->next = _head.exchange(_new_node);  
102.   
103.         return &(_new_node->_hazard);  
104.     }  
105.   
106.     void release(_hazard_ptr_ * ptr){  
107.         ptr->_hazard = 0;  
108.         ptr->_active.store(1);  
109.     }  
110.   
111. private:  
112.     // deallocate function  
113.     typedef boost::function<void(typename T * )> fn_dealloc;  
114.     // deallocate struct data  
115.     typedef std::pair<typename T *, fn_dealloc> _deallocate_data;  
116.     // recover list  
117.     struct recover_list {  
118.         std::vector<_deallocate_data> re_vector;  
119.         boost::atomic_int32_t active; // 0 使用中 / 1 未使用  
120.     };  
121.   
122.     // 回收队列集合  
123.     std::vector<recover_list * > re_list_set;  
124.   
125. public:  
126.     void retire(T * p,  fn_dealloc fn){  
127.         // get tss rvector  
128.         recover_list * _rvector_ptr = 0;  
129.         while(1){  
130.             for(int i = 0; i < 8; i++) {  
131.                 if (re_list_set[i]->active.exchange(0) == 0){  
132.                     continue;  
133.                 }else{  
134.                     _rvector_ptr = re_list_set[i];  
135.                     break;  
136.                 }  
137.             }  
138.   
139.             if (_rvector_ptr != 0)  
140.                 break;  
141.         }  
142.   
143.         // push into rvector  
144.         _rvector_ptr->re_vector.push_back(std::make_pair(p, fn));  
145.   
146.         // scan  
147.         if(_rvector_ptr->re_vector.size() > 32 && _rvector_ptr->re_vector.size() > llen.load()){  
148.             // scan hazard pointers list collecting all non-null ptrs  
149.             std::vector<void *> hvector;  
150.             for(_list_node * _node = _head; _node; _node = _node->next){  
151.                 void * p = _node->_hazard._hazard;  
152.                 if (p != 0)  
153.                     hvector.push_back(p);  
154.             }  
155.   
156.             // sort hazard list  
157.             std::sort(hvector.begin(), hvector.end(), std::less<void*>());  
158.   
159.             // deallocator  
160.             std::vector<_deallocate_data>::iterator iter = _rvector_ptr->re_vector.begin();  
161.             while(iter != _rvector_ptr->re_vector.end()){  
162.                 if(!std::binary_search(hvector.begin(), hvector.end(), iter->first)){  
163.                     iter->second(iter->first);  
164.   
165.                     if(iter->first != _rvector_ptr->re_vector.back().first){  
166.                         *iter = _rvector_ptr->re_vector.back();  
167.                         _rvector_ptr->re_vector.pop_back();  
168.                     }  
169.                     else{  
170.                         iter = _rvector_ptr->re_vector.erase(iter);  
171.                     }  
172.                 }  
173.                 else{  
174.                     ++iter;  
175.                 }  
176.             }  
177.         }  
178.   
179.         _rvector_ptr->active.store(1);  
180.     }  
181.   
182. };  
183.   
184. } /* angelica */  
185. } /* container */  
186. } /* detail */  
187. #endif // _HAZARD_PTR_H  

改用boost::atomic实现

tbb::atomic:http://threadingbuildingblocks.org/files/documentation/a00118.html 

关于hazard指针:http://blog.youkuaiyun.com/pongba/article/details/589864 

另一种lock-free queue:http://www.drdobbs.com/cpp/writing-lock-free-code-a-corrected-queue/210604448?pgno=2