无锁的数据结构(Lock-Free)及CAS(Compare-and-Swap)机制

当同时存在读写线程时,默认情况下是不保证线程安全的,因而需要利用信号量来进行线程同步(Synchronization),如关键代码段、互斥体等,同时操作系统也提供了相应的API。然而同步并不总是满足条件的且有效率的,比如陷入内核时会有性能损失、死锁、活锁以及资源浪费等。

于是Lock-Free和Wait-Free的思想出现了,由于此时不存在读写线程的同步,因而在写线程运行时,读线程也在运行(多核中两个线程在不同的核上被调度运行),而且代码量减少,程序运行更快。而这一思想是通过CAS机制来实现,如下

CAS的原理是,将旧值与一个期望值进行比较,如果相等,则更新旧值,类型T = {char, short, int, __int64, …}等,以及指针(pointer to any type)。

注意CAS这里只是说明了原理,并不是真实的源代码实现,具体实现请参考操作系统。

在Windows API中,提供了很多原子操作(Atomic Operatoration),如InterlockedCompareExchange等一系列InterLocked函数,从汇编的角度来讲,intel的XCHG指令即可以一个时钟周期内完成数据的交换(寄存器和内存的数据交换),使用方法可参考InterlockedCompareExchange的反汇编代码。

考虑这样一种情况:存在多个读线程和一个写线程,在使用同步方法时,很可能写线程并不能立即获得锁,最坏的情况下是写线程永远得不到锁,即进入活锁状态。但是使用CAS的方法时,便可以让读写线程并行运行,当写线程一旦更新为新的共享数据时,读线程便能即时读出更新后的数据。

如下示例

但随之而来会有一个疑问,Update函数中该何时删除旧数据呢,由于很有可能有别的读线程在使用旧数据。对于JAVA等有自动内存回收(GC)机制的语言环境而言,这不是问题,但对于C/C++等无GC机制的环境而言,旧数据的回收就比较棘手的问题了。

当然也存在很多的解决方法,这也成为CAS机制中最有趣最受讨论的问题,而且在不同条件下方法也不同,这里便不一一赘述了,具体可以查看“参考文献”部分的论文。

参考文献:

(1)Andrei Alexandrescu论文集

(2)maged michael论文集

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